автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Зависимость трещиностойкости циркониевых канальных труб реактора РБМК от текстуры и структурного состояния материала труб

УДК 669.017.621.78

Для служебного пользования экз.ы

ОРДЕНА ЛЕНИНА ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ НЕОРГАНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ИМЕНИ АКАДЕМИКА А.А.ЕОЧВАРА

ЗАВИСИМОСТЬ ТРИЦИНОСТОИКОСТИ ЦИРКОНИЕВЫХ КАНАЛЬНЫХ ТРУБ РЕАКТОРА РБМК ОТ ТЕКСТУРЫ И СТРУКТУРНОГО СОСТОЯНИЯ МАТЕРИАЛА ТРУБ

05.T6.0I. "Металловедение и термическая обработка"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

РГ6 од 2 6 ДПР 1093

На правах рукописи

ГРИГОРЬЕВ ВЯЧЕСЛАВ МИХАЙЛОВИЧ

Автор:

Москва,1993

Работа выполнена во Всесоюзном ордена Ленина научно-исследовательском институте неорганических материалов имени академика А.А.Бочвара

Научные руководители: - доктор технических наук

Никулина Антонина Васильевна;

- доктор технических наук

Пантелеев Лев Дмитриевич.

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

Маркочев Виктор Михайлович;

- доктор технических наук

Вотинов Сергей Николаевич.

Ведущая организация: Научно - исследовательский

конструкторский институт анерготехншш

Защита состоится *_"_1993г. в _ч. мин.

на заседании специализированного совета ДР 124.16.01 во Всесоюзном НИИ неорганических материалов по адресу: 123083 Москва, ул.Рогова, д.5, тел.190-84-66, 190-80-44-

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Приглашаем принять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации.

Автореферат разослан Щ0У* 1993г.

Ученый секретарь специализированного совета

Т.А.Красина

э

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Практика эксплуатации реакторов РБМК показывает реальную возможность развития трещин в трубах как технологических каналов, так и каналов СУЗ. Замена вышедших из строя канвльных труб связана со значительными, постоянно воз растащими затратами.

Повышения работоспособности канальных труб из циркониевых сплавов можно добиваться по двум направлениям:

- ослабляя внешние провоцирующие причины растрескивания путем строгой регламентации условий эксплуатации каналов;

- повышая трещиностойкость канальных труб путем совершенст вования технологии изготовления или выбора новых материалов.

Для реализации второго направления необходимо четко пред ставлять:

-какие структурные характеристики материала канальных труб в первую очередь важны для трещиностойности?

-сохраняется ли под облучением достигнутое в исходном сос тоянии улучшение трещиностойкости?

К моменту начала работы было уже известно о значительной анизотропии характеристик трещиностойкости материала канальных труб и о снижении этих характеристик под действием облучения Поскольку работоспособность канала связана только с двумя из четырех возможных ориентации трещины в трубе, задача повышения работоспособности канала была бы решена при повышении характе ристик трещиностойкости именно для втих двух ориентаций.

Таким образом возникает вопрос о целенаправленном воздейст вии на анизотропию трещиностойкости канальных труб. Такое воз действие невозможно без четких представлений о природе разруше ния анизотропного материала в вершине трещины, о механизме вли яния кристаллографической текстуры на характеристики разруше ния, о роли ориентации трещины в процессах разрушения.

Методы испытаний, разработанные на базе механики разрушения и обычно используемые для оценки трещиностойкости канальных труб, позволяют оценить трещиностойкость канала как конструкции, однако оставляют в тени роль внутренних ( металлургических ) факторов, обусловленных собственно материалом трубы -Использование в действупцих реакторах РБМК канальных труб

изготовленных по различным технологическим схемам, также требовало сопоставительной оценки трещиностойкости материала труб в различных структурных состояниях.

В связи с наложенным представлялось целесообразным провести исследование трещиностойкости материала канальных труб в широком диапазоне реально существующих структур с учетом влияния текстуры как одного из основных металлургических факторов.

Цель работы - повышение работоспособности технологических каналов реакторов РБМК за счет оптимизации исходного структурного состояния канальных труб на базе изучения материаловедчес-ких аспектов исходной трещиностойкости труб из циркониевых сплавов.

Предполагалось решить в ходе исследований следуицие задачи:

- изучить роль текстуры и структурного состояния циркониевых сплавов в формировании трещиностойкости материала канальных труб;

- получить количественные характеристики для оценки вклада текстуры и структурного состояния в трещиностойкость канальных труб;

- провести сравнительную оценку исходной трещиностойкости материала канальных труб, изготовленных в различные годы и по различным технологическим схемам;

- выявить основные металлургические и технологические факторы, влияющие на трещиностойкость материала канальных труб;

- разработать рекомендации, направленные на повышение исходной трещиностойкости канальных труб;

- оценить роль исходного структурного состояния циркониевых материалов в изменении характеристик трещиностойкости под действием нейтронного облучения.

Научная новизна

Анализ закономерностей, выявленных при изучении ориентаци-онной зависимости критического раскрытия трещины в материале канальных труб из циркониевых сплавов позволил:

- впервые предложить феноменологическую модель анизотропии трещиностойкости текстурированных материалов, связывающую величину критического раскрытия трещины с жесткостью напряженного состояния, возникающего в вершине нагружаемой трещины;

- впервые ввести понятия структурного и текстурного параметров, характеризупцих, соответственно, пластичность анизотропного материала и жесткость напряженного состояния в вершине трещины, и позволяющих раздельно оценивать вклад кристаллографической текстуры и структурного состояния в трещиностой-кость анизотропного материала.

В предложенной модели текстура проявляет себя через анизотропию пластической деформации, для количественного описания которой получены феноменологические зависимости, позволяющие на основании данных текстурного анализа рассчитывать коэффициенты анизотропии Р.О.Я в теории Хилла.

Полученные зависимости основаны исключительно на кристаллографических характеристиках и, как показано, справедливы для всех исследованных в работе структурных состояний материала канальных труб.

С позиций предложенной модели, единственно возможными направлениями повышения исходной трещиностойкости канальных труб реакторов РБМК являются :

- оптимизация структурного состояния с целью повышения пластичности материала труб;

- оптимизация текстуры с целью ослабления жесткости напряженного состояния в вершине трещин, определящих работоспособность канальной трубы.

Полученные в работе результаты послереакторных испытаний образцов из канальных труб ( циркониевые сплавы 125, Э125, Э125/ТМО-1, Э125/ТМО-2, Э635 ) обосновывают целесообразность повышения исходной трещиностойкости : хотя под действием нейтронного облучения характеристики трещиностойкости снижаются для всех, без исключения, материалов и для всех ориентаций трещины, однако величина снижения различна. При втом материалы с большей исходной трещиностойкостью сохраняют свое преимущество и после облучения.

Практическая значимость

На базе разработанной модели оценено влияние целого ряда металлургических и технологических факторов на исходную трещи-ностойкостъ материала канальных труб. Получены сравнительные характеристики трещиностойкости различных модификаций исходно-

го состояния материала канальных труб, эксплуатирующихся в реакторах РБМК.

Установлено, что основными причинами нестабильности характеристик трещиноотойкооти отожженных, канальных труб из сплава Э125 является неоднородность рекристаллизации материала труб, тогда как в трубах с термомеханической обработкой - неоднородность текстуры, обусловленная различным соотношением остаточной и превращенной альфа - фаз циркония в структуре закаленных труб.

Полученные результаты вошли составной частью в обоснование рекомендаций по корректировке технологии изготовления и объема контроля качества канальных труб. Реализация этих рекомендаций в производстве отожженных труб из сплава 3125 на основе многокомпонентной шихты с использованием электролитического циркония позволила повысить исходный уровень трещиностойкости труб, приблизив его к трещиностойкости труб на иодидной основе.

На примере канальных труб из сплава Э125 показано, что использование СВЧ-обработки позволяет значительно повысить исходную трещиностойкость материала труб.

Разработанная методика испытаний на изгиб образцов сечением 4x4 и зхзмм используется в настоящее время при определении характеристик трещиностойкости как исходных, так и облученных материалов канальных труб.

Практическая значимость работы подтверждена тремя актами об использовании результатов.

На защиту автором выносятся :

1.Научные представления о причинах анизотропии трещиностойкости текстурированных циркониевых материалов.

2.Способ количественного описания анизотропии трещиностойкости циркониевых материалов на основе структурного и текстурного параметров, характеризупцих, соответственно, пластичность материала и жесткость напряженного состояния в вершине трещины.

3.Эмпирические зависимости для расчета параметров анизотропии Хилла в циркониевых материалах по результатам текстурного анализа.

4.Экспериментальные результаты, характеризупцие влияние технологических режимов при изготовлении канальных труб на ис-

ходную трепщностойкость циркониевых материалов и показывающие роль структурного состояния в изменении трещиностойкости под действием нейтронного облучения.

Апробация работы и публикации Основные результаты докладывались на советско - канадских семинарах "Опыт вксплуатации канальных труб ив циркониевых сплавов в ядерных реакторах" (Москва,1989г.; Торонто,1991г.); на VI Всесоюзной конференции по текстуре и рекристаллизации в металлах и сплавах ( Свердловск, 1991г. ); на Международной конференции по радиационному материаловедению ( Алушта, 1990г. ); на I Межотраслевой конференции по реакторному материаловедению (Димитровград, 1992г.). По материалам диссертации опубликовано 4 статьи и 27 научно-технических отчетов.

Объем работы: Диссертация состоит из введения, 7 глав, вы водов, библиографического списка, включающего 146 наименований и содержит 146 страниц машинописного текста, 54 иллюстрации и го таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Анализ современных представлений физики прочности и механи ки разрушения позволил сформулировать основные положения, на базе которых может быть построена физическая модель разрушения анизотропного материала в вершине трещины:

- разрушение пластичного материала происходит вследствие накопления в процессе деформации микроструктурных повреждений и, как следствие, исчерпания запаса пластичности материала ;

- появление в одноосно растягиваемом материале концентре тора в виде макротрещины не меняет сути процесса разрушения однако приводит к возникновению дополнительных напряжений в ослабленном сечении образца, создавая сложнонапряженное состо яние в вершине трещины;

- возникновение шаровой компоненты тензора напряжений рез ко увеличивает скорость накопления микроповреждений и, тем са мым, уменьшает запас пластичности материала, что приводит к квази-охрупчивапцему проявлению трещины;

- источником дополнительных напряжений является стеснение

в вершине трещины поперечных деформаций, которые испытывал бы гладкий образец при одноосном растяжении.

Для анизотропных материалов поперечные деформации для разных направлений различны, что должно проявляться в ориентацион-ной зависимости дополнительных напряжений и, как следствие, в ориентационной зависимости квазиохрупчивапцего проявления трещины.

Таким образом можно предположить, что для материала канальных труб зависимость характеристик трещиностойкости от ориентации трещины связана с анизотропией пластической деформации, приводящей к изменению жесткости напряженного состояния в вершине трещины при изменении ее ориентации.

Опубликованные к началу работы данные свидетельствовали о значительной анизотропии трещиностойкости канальных труб реакторов РБМК из холодно-деформированного и отожженного сплава гг-2,55ОДЬ, однако были получены на образцах различной конфигурации при различных условиях нагружения, что не позволяло уверенно судить как о свойствах собственно материала труб, так и о роли структурных факторов.

В настоящей работе при исследовании трещиностойкости использован метод 3-х точечного изгиба образцов сечением 4x4мм ( для труб Фвах4мм) и Эхзмм ( для труб ф681эмм). Для ряда канальных труб из циркониевых сплавов в различных структурных состояниях были проведены при комнатной температуре серии испытаний образцов с трещинами или надрезами, имевшими различную ориентацию относительно внешних осей трубы. Нетто-сечение образцов в месте надреза имело идентичные размеры для всех четырех ориентация ( рис.1а ).

Определялись: удельная рвбота разрушения образцов с трещиной или надрезом при ударном и статическом изгибе, величина критического раскрытия трещины ( вс ) и аналогичный параметр ( Лс ) для образцов с надрезом, а также максимальная нагрузка при статическом изгибе образцов.

Показано, что трещина и острый надрез дают сопоставимые характеристики разрушения и позволяют ранжировать материалы по уровню исходной трещиностойкости.

Результаты проведенных испытаний показали значительное (в 2-3 раза ) изменение всех вышеперечисленных параметров разру-

Рис.1 Общая схема матери аловедче ских исследований, проводившихся при изучении трещиностойкости.

шения при изменении ориентации трещины или надреза. При одинаковой ориентации, но для разных материалов параметры разрушения также различались в несколько раз.

Анизотропия пластической деформации материала труб анализировалась в рамках теории пластичности Халла. На основании измерений размеров поперечного сечения образцов при одноосном растяжении в осевом ( ъ ) и окружном ( в ) направлениях трубы показано (рис.2), что во всем интервале растяжения от упругих и упруго-пластических деформаций до разрушения образца соотношение поперечных деформаций практически не меняется и приблизительно равно соотношению деформаций в шейке разрушенного образца.

Найденные соотношения размеров шейки образцов позволяют рассчитать коэффициенты поперечных деформаций и параметры анизотропии Р, С, Н, используемые в теории Хилла :

при растяжении по оси г при растяжении по оси 9

Нв = 1ее/ег1 = И/{Н * С)

ц2я = |ен/е2| = С/(И + С)

цб2; = |е2/ев| = Н/(Н + Р) Ивн = \ея/ев\ = Р/ (И + ?)

(1)

Неизменность в процессе растяжения образца соотношения продольной и поперечных деформаций

= I е} / е1 I (2)

где ( = г, 9 - направление растяжения; ] = г, 9, н - направление замера поперечной деформации, позволяет предположить неизменность соотношений основного растягивающего ( ) и возникавших дополнительных поперечных ( е^ ) напряжений ( рис.1 в ):

\lilJ = | е^ / е1 | м / е( или » Ц^-«^ О)

Предполагается, что данные соотношения напряжений в вершине трещины не меняются на всем пути деформирования материала, имеют свое конкретное значение для каждой ориентации трещины и, таким образом, определяют напряженное состояние в вершине трещины.

В качестве характеристики напряженного состояния, возника-

о.7 0.6 0.5

------- - Г* 4г - ► ч ь-

— ♦ 4 _ I и •0, 65 -

К к 0.« 0,3 ю-2 Ю-1 &е 10°

...,|„.. ""Г ......Г" ""Г •"-•••Г" г т 7 -

* ♦ д

— - —4 - - ;г —

1С-3 кгг Ю-' гармация 10°

Продольная дес

£ 0.8 0.6 0,1 0.2 О гС 4:

------ — — - Л- . * • - -- _ь о • #

—• „ *„, • < 9 --■ ------- •, •

« ,,,.(„,г

10_) КГ2 ю"1 е.. 1С0

Г, 0,8 0,6 0.» 0.2 с •о

Л > ' ь ■л > 1

о • ---- ----- 11 о 55 --

1, |.„ . > >. ш1и ■\

;с ю"2 ю-' е. 10°

Рис.2 Соотношение поперечных деформаций образцов канальной трубы ( сплав гг-2,5Ш> ) в процессе одноосного растяжения в г- ( а,ъ ) и 9-направлениях ( о,<1 ): I—I я—» *—« - данные по трем образцам в упруго-пластической области; х,+,о,в - данные по образцам, деформированным до разрушения.

вдего в вершине трещины, принят коэффициент жесткости напряженного состояния

ки = • (4)

где индекоы l,J имеют тот же омыол, что и в выражениях (2),(Э), и обозначают: £ - направление раскрытия трещины, совпадающее с направлением действия основного растягивающего напряжения; ] -- направление, параллельное фронту трещины и совпадающее с направлением действия дополнительного напряжения; - среднее из главных напряжений, действующих в вершине трещины; <в^ - интенсивность нормальных напряжений. При этом используются соотношения

- 1/3 < + ее + вя )!

= ± [ Р(в0^н)2 + С(еи-в2)2 + ]»'* .

Соотношение (4), развернутое с учетом (1) и (3), является функцией только параметров анизотропии Р, С, Н. Например, для вz- и вя-ориентаций (см. рис. 1а) значения К^ рассчитываются по формулам:

Я02 = ( 1 + Цв2 )( Р + С ц02 + И Г1'2

кея = ( 1 + ^ея )( Р^82 + 0 ^ея + н )_1/2 где определяются в соответствии с (1).

Установлены эмпирические соотношения между параметрами текстуры в осевом ( ), окружном ( /0 ) и радиальном ( ) направлениях труб и соответствующими параметрами анизотропии Р, С, Н в теории пластичности Хилла :

Р = 0,75/2 + 0,25

О = 0,75/е + (У0 - Ун) +0,25 (5)

Н - 0.75/я - (У0 - Ун) +0,25 где и УД - объемная доля зерен, ориентированных базисным полюсом в в или и направлениях, соответственно.

Проведенные исследования с использованием образцов с кольцевым надрезом ( рис.16 ) показали, что анизотропия пластической деформации зависит почти исключительно от кристаллографической текстуры материала. Структурные особенности циркониевых сплавов ( форма зерна, наличие дисперсных фаз,их объемное распределение и т.п.), играют второстепенную роль. Это означает, в свою очередь, что конкретный набор значений К^, свойст-

венных данному материалу, задается кристаллографической текстурой и слабо зависит от структурного состояния, о чем свидетельствует справедливость зависимостей (5) для всех исследованных в работе циркониевых материалов ( рис.э )-

Сопоставление экспериментальных результатов по определению критического раскрытия различно ориентированных трещин и величин К^у, рассчитанных для этих ориентация, показало следующее.

Для всех материалов и структурных состояний увеличение жесткости напряженного состояния уменьшает критическое раскрытие трещины ( рислд ). Предполагая, в первом приближении, линейную зависимость бс от K^J, полученные результаты для разных материалов можно аппроксимировать веером прямых, имеющих определенный наклон для каждого сплава и структурного состояния. Вид сплава и его структура определяют наклон прямой, а текстура материала через жесткость напряженного состояния задает на этой прямой точку, отвечающую критическому раскрытию трещины данной ориентации. Чем выше вязкость разрушения материала, тем круче наклон соответствующей прямой.

Аналогичные закономерности получены и для параметров, определяемых из испытаний образцов с надрезами.

Таким образом, характеризуя материал структурным ( наклон прямой ) и текстурным ( положение на оси жесткости ) параметрами можно раздельно оценивать вклад текстуры и структурного состояния в наблюдаемую трещиностойкость материала. В качестве структурного параметра выбраны значения б0 ( для трещин ) и Д0 ( для надрезов ), равные ординате прямой для соответствующего материала при К= 1. В качестве параметра, характеризующего вклад текстуры в трещиностойкость материала, использован коэффициент Кц.

Рассмотренный подход означает, что конкретные значения критического раскрытия трещин различной ориентации задаются сочетанием текстуры материала и его пластичности.

Изложенные представления обосновывают две принципиальные возможности повышения исходной трещиностойкости материала канальных труб из циркониевых сплавов. Увеличение трещиностойкости для данной ориентации трещины должно проявляться в возрастании соответствующих значений 0С и может быть достигнуто:

Рис.3 Корреляция значений параметров У.С.Н, найденных из механических испытаний (еавиоимо-сти (1)), и рассчитанных по результатам текстурного анализа (зависимости (5)).Данные для 11 канальных труб реакторов РБМК и самш из сплавов 125, Э635. Э125 ( штатная, тио-1, тмо-2 ), гг-2,5%Ш) И ЕХСЕЬ.

о.г о,4 о.б о.в !.о ( деформация )

Лс<»») 1,0

1 Э125

исх „ 4«

1,0

1,0 0,5

г,О К;: 1.0 1.5 2,0

—1-*~|1,0|-1-1-

3125 (ТМи-2)

3655

исх _

оол

эг

т«-

0,5

О -'— ' - О

1.0 1,5 г,о 1,0 1,5 г,о «у ДГ(«м)1,0|-

0,5

3125 (ТИО-1)

ИСА

ом

1,0 1,5 2,0 К"

0.5

0.5

Рис.4. Зависимость деформационного параметра Ас для различных циркониевых сплавов в исходном состоянии и после облучения ( к^'-ю81«2 ) от коэффициента жесткости напряженного состояния I,, в вершине надрезов различной ориентации

- за счет увеличения пластичности материала ( увеличение в0 );

- за счет изменения текстуры, приводящего к уменьшению соответствующего значения K^J.

Дейотвив нейтронного облучения, вактэчающееоя в снижении характеристик трещиностойкости, с позиций рассмотренной модели сводится, главным образом, к уменьшению пластичности материала, что сопровождается изменением наклона исходной прямой (рис.4).

На рис.1 представлена общая схема комплекса материаловед-ческих исследований, проводившихся при изучении трещиностойкости материала канальных труб.

Исследование более чем 50-ти вариантов структурных состояний различных циркониевых сплавов показало, что исходная трещиностойкость материала канальных труб существенно зависит как от типа сплава и состава его шихты, так и от технологии его обработки в процессе изготовления труб.

Так, из исследованных материалов наивысшую трещиностойкость имели трубы из сплава 2г-2,55Ш> на иодидной основе (00~0,38ММ). При переводе сплава на многокомпонентную шихту с использованием электролитического циркония трещиностойкость материала труб снижается в 1,5-2 раза ( бо*ю,20мм ).

Существенно изменяется трещиностойкость труб из сплава йг-2,5СТЪ после термомеханической обработки. Однако, если после обработки, включающей закалку в воду ( ТМО-1 ), отмечается дополнительное снижение трещиностойкости ( 60«о,15мм ), то использование охлаждения в аргоне ( ТМО-2 ) приводит к возрастанию трещиностойкости примерно в 1,5 раза ( бо~0,30мм ), приближающее ее к значениям, характерным для труб из сплава на иодидной основе. Использование при закалке канальных труб скоростного нагрева токами высокой частоты ( СВЧ - обработка ) не только радикальным образом меняет текстуру сплава, создавая квазиизотропное состояние, но также при определенных режимах старения обеспечивает одновременное повышение и пластичности и прочности материала труб.

Исследована трещиностойкость взятых из запасных комплектов различных АЭС трещиностойкость канальных труб ( ТК ), изготовленных в 1971-83г.г., и труб каналов системы управления защи-

той реактора РБМК ( трубы КСУЗ ) выпуска 1975~87г.г.

Показано, что структурный параметр трещиностойкости А0 может изменяться почти в 2 раза как от трубы к трубе, так и по длине одной и той же трубы.

Разброс значений текстурного параметра К^ для трещин 92--ориянтацил раеличен в трубах, изготовленных по рвзным технологическим схемам. Так, для холоднодеформированных и отожженных труб значения лежат в пределах 2,02-2,10 , а для труб с термомеханической обработкой ( ТМО-1, ТМО-2 ) разброс значений К02 составляет 1,78-2,04. Соответственно, возрастает и разброс значений критического раскрытия ег-трещины в ТМО-тру-бах.

Наблюдаемое многообразие поведения исходной трещиностойкости канальных труб имеют в основе своей конкретные особенности микроструктуры материала труб и удовлетворительно объясняются с позиций сформулированной выше модели трещиностойкости анизотропных материалов.

Так, для трещиностойкости холодно-деформированных и отожженных труб при слабо меняющейся текстуре разброс свойств связан, прежде всего, со степенью рекристаллизации сплава. Для всех исследованных труб, в целом, выполняется общая закономерность: чем ниже уровень трещиностойкости, характеризующийся меньшими значениями параметра А0, тем выше прочность, ниже пластичность материала труб, выше уровень остаточных микронапряжений. Электронномикроскопические исследования показали, что наряду с макронеоднородностью структуры по длине холодно-деформированных и отожженных труб, во всех трубах отмечается микронеоднородность, заключающаяся в одновременном присутствии в структуре как рекристаллизованных зерен, так и зерен с различной степенью полигонизации. Такой характер микронеоднородности согласуется с фактом неодинакового уширения дифракционных максимумов от зерен различной ориентации, установленным при изучении остаточных микронапряжений в материале труб. При этом, чем полнее прошла рекристаллизация, тем выше уровень трещиностойкости ( рис.5 ).

Ограничениями для повышения трещиностойкости труб за счет увеличения степени рекристаллизации являются:

- снижение прочностных характеристик материала труб;

- крайне ограниченные возможности оптимизации текстуры.

Рис.5 Зависимость структурного параметра трещиностой-кооти А0 и деформационного критерия Ас от температуры отжига (Тотж) материала канальных труб из сплавов 125 и Э125.

Рис.6 Зависимость параметра текстуры от соотношения а/а' фаз циркония в структуре закаленных канальных труб.

X

1 . ,

0.3 0.2 \ "Ч; х Х !Ц(Ь2 о.® \ иий\ ч „„„;

0, 1

0 0.5 1,0 и

0,04

и 1

0,03

I

* 0.02

ч-

5 0.01 ~

тр.Г-32« 11964)

о.ою о.ого Д (кГм)

Рис.7 Влияние локальной концентрации углерода в материале канальной трубы из сплава Э125 на работу зарождения трещины, оцениваемую из ударных испытаний.

В случае разброса характеристик трещиностойкости для труб ТМО решапцую роль играет соотношение в структуре сплава остаточной ( а ) и превращенной ( а') фаз циркония. Соотношение а / а' прямо связано с текстурными характеристиками материала труб ( рис.6 ), определяет анизотропию пластической деформации и, следовательно, влияет на величины К^. В свою очередь, соотношение а / а* задается температурой (а 4 р) - закалки, что означает влияние стабильности технологического режима закалки на стабильность свойств готовых груб.

Зависимость текстурных характеристик от скорости охлаждения в процессе закалки менее очевидна, хотя при одинаковых ( а / а')-соотношениях в трубах ТМО-г реализуются несколько меньшие, чем в ТМО-1 трубах, значения К^.

Влияние режимов послезаквлочного старения на характеристики трещиностойкости также не столь существенно и проявляется тем слабее, чем меньшие перенапряжение и пересыщение в структуре сплава были созданы при закалке.

Так, для труб после СВЧ - закалки, создающей значительные искажения в структуре сплава Э125, характеристики трещиностойкости растут с увеличением температуры старения ( до 580° С ), в то время, как для труб ТМО-2 из того же сплава изменение температуры послезаквлочного старения в интервале 530-570°С практически не меняет характеристик трещиностойкости.

В ряде случаев на поверхности и в теле канальных труб наблюдались структурные неоднородности, получившие название "строчек" или "сеток границ". Изучение природы этих неоднород-ностей показало, что подобные "строчки" или "сетки", видимые на шлифе, представляют собой скопления ямок травления, которые могут либо содержать в себе, либо не содержать частицы второ-фазных выделений, главным образом, карбиды циркония.

Полученные результаты показали соответствие между плотностью "строчек" на поверхности и в теле трубы и вошли составной частью в обоснование металлографического контроля канальных труб на структурные неоднородности.

Содержание углерода, определенное методами химического и активационного анализов, было несколько выше в областях с более высокими плотностями строчек. Работа зарождения трещины Аз,

1У

оцененная из определения ударной вязкости разрушения образцов с надрезом и с усталостной трещиной, снижается при увеличении содержания углерода ( рис.7 ). В то же время при отсутствии "строчек" в структуре материал трубы характеризуется практически такими же средними значениями Аз.

Полученные результаты позволили предположить, что роль углерода сводится, главным образом, к роли "индикатора", выявляющего определенные микроучастки материала. Чем больше таких микроучастков, тем больше "строчек" в структуре и тем ниже значения Аз. В отсутствие углерода микроучастки по-прежнему присутствуют, но не проявляются внешне, при этом практически не меняются и параметры разрушения материала трубы. В этом случае параметры разрушения должны реагировать скорее на изменение общего структурного состояния материала трубы, чем на присутствие "строчек" в структуре. Действительно, корректировка технологии изготовления канальных труб, заключавшаяся во внедрении закалки кованой заготовки в воду, а также в отсечении мелкой фракции порошка в процессе электролиза, хотя и не устранила полностью появление "строчек" на поверхности и в теле труб, однако,изменив структурное состояние сплава, заметно повысила значения Аз.

По результатам дореакторных исследований наиболее аффективным способом повышения трещиностойкости материала канальных труб из циркониевых сплавов представляется использование фазовой перекристаллизации материала труб, осуществляемой в процессе ( а + р )- или р - закалки сплава. При выполнении определенных требований к температурно-скоростным условиям закалки удается не только одновременно повысить прочность и пластичность циркониевых сплавов, но также добиться существенных изменений в текстуре, дополнительно улучшающих трещиностойкость для ориентаций трещин, определяющих работоспособность технологических каналов реакторов РЕМК. Так, в трубах после СВЧ-обработки трещиностойкость возрастает по сравнению с холодно-деформированным и отожженным состоянием на 20-30$ для вн-ориентации трещины и на 200-300$ для вг-ориентации.

Нейтронное облучение при 80-1оо°С флюенсами до о21 н/см2 привело к снижению трещиностойкости для всех материалов и ориентации трещин, однако величина снижения при этом была различна ( см.рис.4 )• Материалы, имевшие в исходном состоянии более

высокие характеристики трещиностойкости, сохранили свое преимущество и после облучения. Наилучшие показатели по трещиностойкости после облучения отмечены для сплава 125, а также для сплава Э125 с обработкой ТМО-2, хотя для уверенного заключения о сохранении в облученном состоянии преимуществ фазовой перекристаллизации циркониевых сплавов требуются данные по облучению более высокими флсенсами при рабочих температурах.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Изучены материаловедческие аспекты трещиностойкости канальных труб реактора РБМК. Для изучения анизотропии характеристик трещиностойкости канальных труб разработана методика испытания на трехточечный изгиб образцов сечением 4x4 и ЭхЭмм. Разработанная методика применена также для испытания облученных образцов в условиях защитной камеры.

2. Среди основных структурных вариантов труб, используемых в действующих реакторах РБМК, наилучшей трещиностойкостью в исходном состоянии обладают трубы из сплава 21^2,5Ш> на иодидной основе (сплав 125), далее, в порядке снижения свойств следуют трубы: Э125 (ТМО-2); Э125 ( штатные ); Э125 ( ТНО-1 ) и Э635-

Установлено, что основными причинами нестабильности характеристик трещиностойкости отожженных канальных труб является неоднородность рекристаллизации, тогда как в трубах с термоме-хвнической обработкой - неоднородность кристаллографической текстуры.

3. Предложена феноменологическая модель описания трещиностойкости текстурированных материалов.

Модель использует понятия структурного и текстурного параметров и позволяет раздельно оценивать вклад текстуры и структурного состояния в характеристики трещиностойкости. Структурный параметр характеризует пластичность анизотропного материала, текстурный ( Кц ) - жесткость напряженного состояния в вершине трещины.

Согласно модели, анизотропия пластической деформации является основным свойством материала, определяющим анизотропию трещинос тойкос ти.

4. Показано, что анизотропия пластической деформации циркониевых сплавов зависит исключительно от кристаллографической текстуры.

Получены феноменологические зависимости, позволяющие по результатам текстурного анализа рассчитывать коэффициенты ¥, О, И, характеризующие в теории Хилла анизотропию пластической деформации.

Предложены зависимости для расчета текстурных параметров трещиностойкости исходя из значений коэффициентов Р.в.Н.

5. Изучены возможности повышения в рамках промышленных технологий исходной трещиностойкости материала канальных труб из сплава 1г-2,5%№з. Показано, что для отожженных труб основным способом повышения трещиностойкости с одновременной стабилизацией свойств является увеличение пластичности за счет более полной рекристаллизации материала труб. Недостатком этого способа является неизбежное снижение прочности материала труб.

Для технологий, использующих закалку, повышение трещиностойкости может быть достигнуто, главным образом, за счет оптимизации текстуры.

6. Показано, что при использовании скоростного нагрева токами высокой частоты ( СВЧ-обработка ), наряду с благоприятными изменениями кристаллографической текстуры в процессе р-за-калки можно добиться одновременного повышения и пластичности, и прочности материала труб. В результате, характеристики исходной трещиностойкости труб из сплава Э125 после СВЧ-обработ-ки возросли, для основных ориентации трещины в 1,2-1,3 раза и в 2-3 раза по сравнению с отожженными трубами.

7. Показана, целесообразность повышения исходной трещиностойкости канальных труб, т.к.после облучения, по крайней ме-

20 21 - 2

ре фшюенсами ю - ю см , материалы с лучшими начальными свойствами сохраняют свое преимущество.

8. С позиций предложенной феноменологической модели сниже-

ние трещиностойкости под действием облучения рассматривается как следствие радиационного упрочнения и характеризуется изменением структурного параметра. Величина снижения трещиностойкости зависит от ориентации трещины и коррелирует с текстурным параметром Кц.

9. Результаты, полученные для облученного сплава Э125 с обработкой ТМО-2 свидетельствуют о значительных потенциальных возможностях структурных состояний данного типа, хотя для уверенного заключения о сохранении в облученном состоянии преимуществ фазовой перекристаллизации циркониевых сплавов, в первую очередь при использовании СВЧ-обработки, требуются данные по облучению более высокими флюенсами при рабочих температурах.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях и отчетах:

1. Пантелеев Л.Д..Григорьев В.М..Иванов А.И.,Евкина З.Ф.-"Оценка анизотропии физико-механических свойств изделий из циркониевых сплавов на основе количественного анализа текстуры методом обратных полюсных фигур" - Отчет, инв.заоаДСП (ВНШНЙ), 19ЭЗг.- 17с.

2. Никулина A.B..Григорьев В.М..Панкратов В.Б. -"Оценка напряженного состояния анизотропных материалов в вершине различно ориентированных трещин"-0тчет.инв.4745ДСП (ВНИШМ). 1985Г -23С.

3.Никулина A.B..Григорьев В.М..ГоловкинИ.А..Кондрать-евМ.В., Паяащук A.C. - ^Отработка методов оценки трещиностойкости материала канальных труб. Влияние ряда структурных факторов на исходную трещиностойкость" - Отчет, инв.б983ДСП ( ВНИИНМ ),1989г.-38с.

4. Никулина A.B..Григорьев В.М.,Марквлов В.А,- "Оценка возможностей методов статического и динамического изгибов при изучении трещиностойкости канальных труб из циркониевых сплавов" - Отчет, инв.7131 ( ВНИИНМ ),1990г.- 19с.

5. Никулина A.B. .Григорьев В.М.,Бутра Ф.П. .Савченко М.М., Агеенкова Л.Е.-яИсследование взаимосвязи текстуры и анизотропии пластической деформации циркониевых сплавовн-Отчет, ИНВ.5889ДСП ( ВНИИНМ ),i987r.- 17с.

6. Григорьев В.М..Никулина A.B..Стукалов А.И.,Грицына В.И., Каплий С.Н..Садовников Н.В.- "Оценка трещиностойкости материала канальных труб из сплава Zr-2,5%Nb после СВЧ-обра-ботки" - Вопр. вт. науки и техн. Серия: Физика радиац. поврежд. и радиац. материаловед. 1992. выпуск 1(58) / 2(59), с.104-111.

7. Никулина A.B..Григорьев В.М.,Головкин И.А.,Савчен-коМ.М. - "Исследование анизотропии трещиностойкости материала канальных труб из сплавов 125. Э125 и 3635й- Отчет, ИНВ.6132ДСП ( ВНИИНМ ), 1988г.- 30с.

8. Григорьев В.М..Никулина A.B. -"Анизотропия трещиностойкости материала канальных труб из сплава Zr-2,5iiND" -Атомная анергия, т.69, вып.4, октябрь 1990, с.230-233.

9- Никулина A.B. .Григорьев В.М.,Шишов В.Н..Головкин И.А., Кондратьев М.В..Кривова В.И..Крысанов Д.Л. - "Исследование исходной трещиностойкости и структурного состояния материала труб каналов СУЗ, изготовленных в 1975-1987г.г." - Отчет, ИНВ.64ЭЗДСП ( ВНИИНМ ),1988г.- 31с.

10. Каплий С.Н..Перлович Ю.А..Исаенкова М.Г. .Григорьев В.М. - "Неоднородность структурного состояния прокатанного а-циркония"- Атомная энергия, т.73, вып.З.сент.1992, с.195-198.

11. Григорьев В.М..Никулина A.B..Пантелеев Л.Д. - "Анализ возможностей повышения работоспособности труб технологических каналов из сплава Zr-2,5J£№> для реакторов РБМК" - Вопр. ат. науки и техн. Серия: Материаловед, и новые материалы, 1990, вып.2 ( 36 ), с.54-58.

12. Никулина A.B.,Парфенов Б.Г.,Родченков B.C.,Кузьменко Н.В. .Шевнин Ю.П..Григорьев В.М..Шебалдов П.В. .Агеенкова Л.Е., Лукина С.П.,Заводчиков C.D..Вдовенко И.Н. - "Совершенствование техпроцесса изготовления труб ТК РБМК из сплава 3125 в обеспечение стабильности их качества" - Отчет,инв.410-87 ОТ(НИКИЭТ), 1991г.- 59с. ( исх.ВНИИНЫ 520-345/13498 от 29.12.91 )

13- Никулина A.B. .Кобылянский Г.П. .Маершина Г.И. .Григорьев В.М..Шамардин В.К.,Сурцэва И.П..Рогозянов А.Я..Калинина Н.К. - "Влияние низкотемпературного облучения на анизотропию пластической деформации и параметры трещиностойкости материала канальных труб из сплавов 3125 и 3635" - Отчет, инв. 0-3943 ( НИИАР ), 1990г.- 23с.