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

вопросу, целью исследования служило усовершенствование уже известных бинарных сплавов.

Из большого количества разработанных к настоящему вре­ мени многокомпонентных сплавов циркония нашли практиче­ ское применение или рассматриваются как перспективные сле-

сплавов, а также бинарных спдавов с Та и Nb и сплавов типа циркалой приведены в табл. 3.1 [8, 51, 103, 106, 189].

Из таблицы видно, что одними из наиболее прочных спла­

тельно малая степень разупрочнения при повышении температу­ ры. Предел текучести сплавов типа циркалой при повышении температуры от 20 до 300° С уменьшается практически в три

монотонный характер увеличения пластичности и снижения ха­ рактеристик прочности с повышением температуры до 400° С, с последующим более заметным возрастанием разупрочнения, на­ чиная с температуры ~450° С (ом. табл. 3.1). Некоторая ано­ малия в изменении характеристик пластичности была обнару-

34

жена для сплавов типа циркалой [17, 42]. В интервале температуры 200—450° С происходит заметное падение относительно­

из возможных причин наблюдаемой аномалии может быть осо­ бенность деформационного поведения сплава, обусловленная, как полагают, взаимодействием атомов примесей (Н, N и О) с

Рис. 3.2. Зависимость удлинения сплава Z r — 1% Nb от температуры.

движущимися дислокациями. Это предположение подтвержда­ ют результаты работы [76], в которой обнаружено, что для сплава Zr — 1% Nb также существует «провал» пластичности в интервале температуры 250—450° С, причем величина его и тем­ пература, соответствующая максимальной величине, зависят от скорости деформации и содержания водорода (рис. 3.2).

Благодаря высоким прочностным характеристикам сплавы, легированные ниобием, рассматриваются как наиболее перспек­ тивные конструкционные материалы для изготовления высоконагруженных деталей и конструкций, например технологических каналов, работающих при температуре до 300—350° С.

Для использования при более высокой температуре (400°С и выше) наиболее подходящими с точки зрения прочности считают сложнолегированные сплавы, содержащие Mo, Al, Nb, Sn (см. табл. 3.1). Однако существенным недостатком этих сплавов, препятствующим их практическому использованию, яв­ ляется низкая коррозионная стойкость в окислительных средах, обусловливающая необходимость их плакирования.

Относительно высокая степень разупрочнения циркония с по­ вышением температуры характерна и для сложнолегированных сплавов, что, по-видимому, обусловлено высокими скоростями диффузии атомов легирующих элементов, приводящими к коагу­ ляции дисперсных частиц, определяющих упрочнение.

36

Для повышения жаропрочности циркония в работе [16] бы­ ло использовано легирование окислами редкоземельных элемен­ тов (ТЮ2 до 7,0%, Y20 3 д о 5,0%, La20 3 до 2 % и Се20 3 до 7%),

обладающими высокой термической устойчивостью. Сплавы из­ готавливались методом дуговой плавки и содержали окислы в виде мелкодисперсных частиц размером 3—4 мкм. При 650° С сплавы, содержащие более 2,5% окислов, имели предел текуче­ сти в 1,5—2,5 раза выше, чем сплав циркалой-2. Наибольшее упрочнение достигалось при введении 5—7% Се20 3 и 2% Zr02.

3.3.ВЛИЯНИЕ ХОЛОДНОЙ ДЕФОРМАЦИИ

ИТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Механические свойства циркония и его сплавов могут быть существенно изменены в результате холодной деформации и термической обработки.

С увеличением степени холодной деформации прочностные характеристики циркония возрастают, а пластичность снижа­ ется. Предел текучести при 20° С иодидного циркония может быть повышен в 2,5 раза в результате холодной деформации на 20%. Аналогичное изменение прочности характерно и для губ­ чатого циркония. Влияние степени холодной деформации на механические свойства при растяжении иодидного и губчатого циркония, а также сплавов Zr—1% Nb, Zr — 2,5% Nb, цирка­ лой-2, оженит-0,5 показано на рис. 3.3. [3, 47, 172].

Для чистого циркония и его сплавов характерно резкое по­ вышение прочностных свойств и снижение пластичности при от­ носительно небольших степенях холодной деформации (до 10— 15%). При дальнейшем возрастании степени деформации изме­ нение механических свойств носит монотонный характер.

Исследования субструктуры в чистом цирконии и сплаве циркалой-2 после различной степени холодной деформации по­ казывают, что наблюдающийся характер изменения механиче­ ских свойств может быть обусловлен соответствующими изме­ нениями дислокационной структуры. Обнаружено, что при сте­ пени деформации до ~10% происходят наибольшие изменения размеров блоков, плотности дислокаций и величины микроде­

10%. Увеличение степени деформации до 60% приводило к воз­ растанию плотности дислокаций до 9,7 • 1010 смг2 и уменьшению размеров блоков до 320 А [ПО, 166].

Пластическая деформация в цирконии протекает по преиму­ щественным системам скольжения и двойникования. Это приво­ дит к появлению резко выраженной текстуры в полуфабрикатах из циркония и его сплавов, изготавливаемых с помощью дефор­ мационной обработки. Наличие текстуры оказывает существен­

37

ное влияние на многие важные с практической точки зрения физико-механические свойства полуфабрикатов из циркония, что сделало необходимым детальное исследование факторов, влияющих на формирование того или иного типа текстуры, а также механизма ее образования.

Рис. 3.3. Влияние холодной деформации на меха­ нические свойства при растяжении сплавов цир-

калой-2, оженит-0,5, Z r — 1% Nb и Zr — 2,5% Nb:

Обнаружено, что тип текстуры в листах и трубах из цирко­ ния и его сплавов зависит от схемы и температурного интервала деформирования в процессе изготовления, а также режима окончательной термической обработки [50, 92, 93, 147, 169, 170]. Формирование текстуры в холоднодеформированных полуфаб­ рикатах может быть объяснено с точки зрения механизма про­ текания деформации при сжатии и растяжении. Последнее поз­ воляет предсказывать тип текстуры в листах и трубах, зная технологический процесс их изготовления, а также изготавли­ вать полуфабрикаты с заранее известной текстурой.

Для характеристики текстуры в полуфабрикатах из цирко­ ния и его сплавов пользуются идеализированной схемой, пока­

38

занной на рис. 3.4. Типы текстур в трубах и листах из сплавов циркония в зависимости от технологии их изготовления приве­ дены в табл. 3.2.

Как следствие текстурированности могут наблюдаться зна­ чительные различия механических свойств: в различных направ­ лениях в одних и тех же полуфабрикатах, в различных типах полуфабрикатов (листах, трубах, прутках), в одних и тех же

В

ние; С — тангенциальное направление.

полуфабрикатах, но полученных по различной технологии. Горяче- и холоднокатаные листы из сплавов циркония характери­ зуются на 40—50% более высокими значениями предела теку­ чести в поперечном направлении, чем в продольном. Для труб в отличие от листов различия механических свойств в различ­ ных направлениях обнаруживаются не всегда и зависят от типа сплавов циркония.

Данные табл. 3.2 показывают, что механические свойства в продольном и поперечном направлениях труб из циркалоя-2, по­ лученных волочением, практически одинаковы; в то время как трубы из сплава Zr — 2,5% Nb, изготовленные волочением, об­ ладают более высоким пределом текучести в поперечном на­ правлении, чем в продольном. Холоднокатаные трубы из обоих сплавов характеризуются большей пластичностью в поперечном направлении, чем в продольном. Анализ типа текстур и меха­ нических свойств в различных направлениях в полуфабрикатах из сплавов циркония показывает, что анизотропия механических свойств наиболее заметна в тех полуфабрикатах, в которых четко выражена монотекстура, например: типа А — в трубах; типа С — в листах (см. рис. 3.4).

Влияние типа текстуры на механические свойства полуфаб­ рикатов из сплавов циркония исследовался в работах [74, 167, 168, 170]. Установлено, что механизм протекания деформации в цирконии тесно связан с ориентацией преимущественных систем

скольжения {1010} <12Ш > и двойникования относительно на­ правления действия приложенного напряжения. Когда нормаль

39