Файл: Ривкин, Е. Ю. Прочность сплавов циркония.pdf

Глава третья

КРАТКОВРЕМЕННЫЕ МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЦИРКОНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ

Характеристики механической прочности и пластичности циркония и его сплавов зависят от химического состава, режи­ мов термической и механической обработки. Эти сплавы могут быть использованы для работы в условиях действия агрессив­ ных рабочих сред, высокой температуры и нейтронного облуче­ ния.

3.1. ДЕФОРМАЦИОННОЕ ПОВЕДЕНИЕ

Наличие у циркония множества плоскостей скольжения и двойникования обусловливает весьма высокую его пластичность, сохраняющуюся даже при температуре жидкого азота. Поведе­ ние циркония при пластической деформации вплоть до момен­ та разрушения может быть охарактеризовано следующим соот­

ния. Показатель упрочнения зависит от температуры и состоя­ ния металла. Для иодидного циркония при комнатной темпе­ ратуре показатель степени упрочнения составляет 0,25 для отожженного состояния и 0,05 для холоднодеформированного [12J. С повышением температуры до 400° С значение его для отожженного металла падает до 0,16.

Показатель степени упрочнения заметно связан с текстурой металла. Листовой цирконий характеризуется существенным различием показателя степени упрочнения в продольном и по­ перечном направлениях. Для сильно текстурированного металла в холоднодеформированном состоянии показатель упрочнения выше в поперечном направлении, чем в продольном, и равен соответственно 0,17 и 0,07. В отожженном состоянии наблюда­ ется обратная картина, и показатель деформационного упроч­ нения равен 0,22 для продольного направления и 0,11 для по­ перечного. Для слабо текстурированного металла различие по­ казателей деформационного упрочнения в продольном и попе­ речном направлениях практически отсутствует.

Деформационное упрочнение чистого циркония зависит так­ же от размера зерна. В области выше 0° С выражение a = k8n

30

справедливо Долько для мелкозернистого металла. Для крупно­ зернистого металла при температуре 77—673° К деформационное упрочнение может быть описано выражением cr= (/(o + S)e,n+ri, где S = m = 0 при скорости деформирования е>0,01 мин-1 [53]. Для отожженного иодидного циркония влияние скорости де­ формации на механические свойства незначительно. В интерва­

log(£2/e1)

истинные напряжения, а е: и ег истинные деформации при раз­ личных скоростях деформации) при увеличении скорости дефор­ мации от 0,9 до 0,0009 мин~1составляет 0,012—0,021. Для холоднодеформированного циркония наблюдается заметное увеличе­ ние чувствительности механических свойств к скорости дефор­ мации при температуре выше 200 и при 400° С показатель сте­ пени упрочнения составляет 0,06—0,08 [12].

В работе [53] отмечено, что с увеличением размера зерна от 0,003 до 0,037 мм наблюдается тенденция к снижению проч­

уравнению Петча: o=eo + k d - l/2, где k — константа, d — средний размер зерна.

Для мелкозернистого циркония характерно наличие площад­ ки текучести на кривых растяжения. При этом с увеличением температуры испытаний от :—196 до 300° С и уменьшением ве­ личины зерна площадка текучести становилась более четкой. Введение небольших количеств водорода приводило к исчезно­ вению площадки текучести. Наличие площадки текучести было обнаружено и на кривых растяжения бинарных сплавов Zr— Sn, Zr—(14-2,5)% Nb, циркалоя-2 [12]. В то же время на кри­ вых растяжения сплавов с кислородом и сплавов циркония с оловом, дополнительно легированных хромом и никелем, пло­ щадка текучести отсутствовала.

Наиболее детально условия появления площадки текучести изучены для сплава циркалой-2 [39, 66]. Установлено, что пос­ ле закалки площадка текучести в циркалое-2 исчезает, в го вре­ мя как медленное охлаждение или охлаждение на воздухе де­ лает ее более отчетливой. Старение закаленного сплава при температуре выше 600° С вызывает появление площадки теку­ чести. Старение же отожженного сплава при 100° С и. выше обусловливает ее исчезновение.

Введение водорода заметно изменяет вид кривой «деформа­ ция — напряжение» сплава циркалой-2. При увеличении содер­ жания водорода от 0 до 0,015 вес.% наблюдается постепенное уменьшение значения верхнего предела текучести, а затем и

31

Полное исчезновение «зуба» текучести. Оценка влияния содер­ жания водорода и линейных размеров гидридов на деформацию чистого циркония и сплава циркалой-2 позволила установить, что исчезновение «зуба» текучести при введении водорода может быть обусловлено появлением дополнительных участков начала пластической деформации вблизи гидридов.

3.2. ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРОВАНИЯ

Чистый цирконий характеризуется относительно низкими прочностными свойствами и высокой пластичностью. Механиче­ ские свойства его заметно зависят от степени загрязненности примесями, содержание которых, в свою очередь, определяется способом производства. При 20° С пределы текучести и прочно­ сти наиболее чистого металла, полученного иодидным рафини­ рованием, составляют соответственно 13 и 28,5 кгс/мм2, а отно­ сительное удлинение и сужение— 14 и 40%. Цирконий, полу­ чаемый магниетермическим способом (губчатый цирконий), бо­ лее прочен; при 20° С пределы прочности и текучести его состав­ ляют 48 и 30,5 кгс/мм2, а относительные удлинение и сужение —

13,7 и 31,4% [66].

Одним из способов повышения прочности циркония является легирование. Большинство элементов характеризуются ограни­ ченной, изменяющейся с температурой растворимостью в цирко­ нии (за исключением Ti и Ш) и образуют с ним химические со­ единения. В связи с этим среди сплавов циркония в зависимо­ сти от механизма упрочнения можно только условно выделить сплавы, прочность которых определяется упрочнением твердого раствора, и сплавы, упрочняющиеся за счет дисперсионного твердения. К сплавам первой группы, в первую очередь, можно отнести сплавы с Ti и Ш, образующими непрерывные твердые растворы, а также сплавы с кислородом и азотом, у которых диаграммы состояния с цирконием характеризуются наличием широкой области твердых растворов. К сплавам второй группы следует отнести сплавы с элементами, у которых диаграммы со­ стояния с цирконием характеризуются наличием эвтектического или эвтектоидного превращений, например, Fe, Cr, Ni, Mo, А1, W, V и Си.

Для целого ряда сплавов циркония характерно упрочнение как за счет легирования твердого раствора, так и за счет дис­ персионного твердения. К дисперсионно твердеющим можно от­ нести двойные сплавы с Sn, Nb, Мо, а также сложнолегирован­ ные сдлавы, содержащие эти элементы. Поскольку цирконий является аллотропным металлом, упрочнение ряда сплавов на основе циркония может быть достигнуто за счет мартенситного превращения. К таким сплавам относятся сплавы с элементами, имеющими относительно высокую растворимость в |3-Zr: Nb, Mo, Ti.

32

Легирование элементами, образующими твердые растворы замещения, например титаном и гафнием, не дает заметного упрочнения, в то время как введение элементов, образующих твердые растворы внедрения, (кислорода и азота, которые ха­ рактеризуются значительной растворимостью в a-Zr) приводит к существенному росту прочностных характеристик циркония при комнатной температуре. По данным работы [12], при ком­ натной температуре увеличение предела текучести циркония в результате легирования кислородом прямо пропорционально содержанию кислорода и подчиняется выражению 00,2 = 31,3 С^5 ,

где 0о,2 — предел текучести (кгс/мм2) , Со, — содержание 0 2 (ат. %). Введение азота еще более эффективно. Однако упроч­ няющий эффект вследствие легирования этими элементами за­ метно снижается при повышении температуры до 300° С и выше. Так, предел прочности сплава циркония с 0,2% 0 2 снижается от 44 до 16 кгс/мм2 при повышении температуры испытания от 20

до 315° С.

Упрочнение за счет дисперсионного твердения является бо­ лее эффективным, чем упрочнение при легировании твердого ра­ створа, и в то же время, что очень важно с практической точки зрения, меньше зависит от'температуры. Наибольший эффект упрочнения обеспечивается сочетанием всех трех указанных ме­ ханизмов: легированием твердого раствора, дисперсионным твердением, мартенситным превращением.

Сплавы с А1 являются наиболее прочными из известных сплавов циркония, особенно при повышенной температуре. Пре­ делы прочности и текучести сплава Zr — 2% А1 составляют 32,4

и 22,5 кгс/мм2 при 500° С и 38,3 и 17,3 кгс/мм2 при 650° С. Од­ нако эти сплавы характеризуются очень низкой коррозионной стойкостью и практического применения не нашли. Сплавы с Sn менее прочны, чем сплавы с А1, но уровень их прочности доста­ точно высок и при комнатной, и при повышенной температурах. Благодаря сочетанию относительно высоких прочностных харак­ теристик и коррозионной стойкости в воде при повышенной тем­ пературе сплавы с оловом явились основой создания наиболее широко используемых в настоящее время сплавов циркония — циркалоев.

Влияние легирования на прочность циркония при 20 и 500° С показано на рис. 3.1.

Легирование циркония одним из элементов в большинстве случаев не обеспечивает получения требуемого комплекса кор­ розионных и прочностных свойств, и из двойных сплавов цирко­ ния практическое применение нашли только сплавы с 1 и 2,5% Nb, 0,5% Та и 2,5% Си. Систематических исследований влияния сложного легирования на механические свойства циркония про­ ведено немного. Среди них прежде всего следует отметить рабо­ ты [6, 9, 23]. В большинстве других работ, посвященных этому