Использование методов измерения термоэдс и электросопротивления для исследования фазовых превращений в сплаве Zr1Nb

Определяются области применимости различных методов для исследования структурно-фазовых превращений в сплаве Zr+1Nb, широко используемом в реакторостроении, производство и изготовление изделий из которого осваивается в Украине. Проведено исследование структурно-фазовых преобразований материала твэль...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2007
Hauptverfasser:	Клименко, С.П., Грицина, В.М., Петельгузов, И.А., Черняева, Т.П.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2007
Schriftenreihe:	Вопросы атомной науки и техники
Schlagworte:	Диагностика и методы исследований
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/110641
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Использование методов измерения термоэдс и электросопротивления для исследования фазовых превращений в сплаве Zr1Nb / С.П. Клименко, В.М. Грицина, И.А. Петельгузов, Т.П. Черняева // Вопросы атомной науки и техники. — 2007. — № 6. — С. 142-148. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-110641
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1106412025-02-23T18:32:51Z Использование методов измерения термоэдс и электросопротивления для исследования фазовых превращений в сплаве Zr1Nb Використання методів виміру термо-е.р.с. і електроопору для дослідження фазових перетворень у сплаві Zr1Nb Application of thermo-electromotive force and electric resistance measuring methods to researching phase transformations in Zr1Nb alloy Клименко, С.П. Грицина, В.М. Петельгузов, И.А. Черняева, Т.П. Диагностика и методы исследований Определяются области применимости различных методов для исследования структурно-фазовых превращений в сплаве Zr+1Nb, широко используемом в реакторостроении, производство и изготовление изделий из которого осваивается в Украине. Проведено исследование структурно-фазовых преобразований материала твэльных труб из сплава Zr+1Nb, изготовленного на основе кальциетермического циркония (Zr1Nb), путем измерения термоэдс и электросопротивления. Установлено, что при изменении электросопротивления наглядно проявляются начало объемного (массивного) α→β-перехода, при температуре ~750 °С и его окончание при температуре ~950 °С, в то время как измерение термоэдс на образцах, прошедших последовательные ступенчатые отжиги длительностью 3 ч при температурах в интервале 300…700 °С, позволяет определить температуру монотектоидного превращения. Для Zr1Nb исследуемых партий температура монотектоидного превращения составляет (620±7) °С. Результаты проведенных исследований согласуются с данными рентгеноструктурного исследования. Для возможности сравнения аналогичные исследования были проведены на твэльных трубах из сплава Zr+1Nb, изготовленного на основе электролитического циркония (Э110), на котором температура монотектоидного превращения равна ~610 °С. Визначаються області застосовності різних методів для дослідження структурно-фазових перетворень у сплаві Zr+1Nb, який широко використовується в реакторобудуванні, виробництво й виготовлення виробів з якого освоюється в Україні. Проведено дослідження структурно-фазових перетворень матеріалу твельних труб зі сплаву Zr+1Nb, виготовленого на основі кальцієтермічного цирконію (Zr1Nb), шляхом виміру термое.р.с. і електроопору. Установлено, що при зміні електроопору наочно проявляються початок об'ємного (масивного) α→β-переходу при температурі ~750 ºС і закінчення переходу при температурі ~950 ºС, у той час як вимір термое.р.с. на зразках, що пройшли послідовні східчасті відпали тривалістю 3 ч при температурах в інтервалі від 300 до 700 ºС, дозволяє визначити температуру монотектоїдного перетворення. Для Zr1Nb досліджуваних партій температура монотектоїдного перетворення (620±7) ºС. Результати проведених досліджень погодяться з даними рентгеноструктурного дослідження. Для можливості порівняння аналогічні дослідження були проведені на твельних трубах зі сплаву Zr+1Nb, який виготовлено на основі електролітичного цирконію (Е110) і температура монотектоїдного перетворення якого дорівнює ~610 ºС. The paper determines the applicability areas of different methods for the study of structural phase transformations in a Zr+1Nb alloy, which is extensively used in reactor construction; production and fabrication of products from Zr+1Nb is currently developed in Ukraine. Electromotive force and electric resistance were measured to study structural phase transformations of Zr+1Nb fuel rod tubes based on calciothermal zirconium (Zr1Nb). It was established that changes in electric resistance clearly show the beginning of a massive α→β transition at ~750 °C and the end of α→β transition at ~950 °C, whereas measurement of thermo-e.m.f. in the samples subjected to successive 3-hour step annealing in the temperature range from 300 to 700 °C allows the temperature of monotectoid transformation to be found. For sample Zr1Nb batches the temperature of monotectoid transformation is (620±7) °C. The measurement results are consistent with the similar studies carried out on Zr+1Nb fuel rod tubes based on electrolytic zirconium (E110), for which the temperature of monotectoid transformation is equal to ~610 °C. 2007 Article Использование методов измерения термоэдс и электросопротивления для исследования фазовых превращений в сплаве Zr1Nb / С.П. Клименко, В.М. Грицина, И.А. Петельгузов, Т.П. Черняева // Вопросы атомной науки и техники. — 2007. — № 6. — С. 142-148. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/110641 621.78.620.186.1 ru Вопросы атомной науки и техники application/pdf Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Диагностика и методы исследований Диагностика и методы исследований
spellingShingle	Диагностика и методы исследований Диагностика и методы исследований Клименко, С.П. Грицина, В.М. Петельгузов, И.А. Черняева, Т.П. Использование методов измерения термоэдс и электросопротивления для исследования фазовых превращений в сплаве Zr1Nb Вопросы атомной науки и техники
description	Определяются области применимости различных методов для исследования структурно-фазовых превращений в сплаве Zr+1Nb, широко используемом в реакторостроении, производство и изготовление изделий из которого осваивается в Украине. Проведено исследование структурно-фазовых преобразований материала твэльных труб из сплава Zr+1Nb, изготовленного на основе кальциетермического циркония (Zr1Nb), путем измерения термоэдс и электросопротивления. Установлено, что при изменении электросопротивления наглядно проявляются начало объемного (массивного) α→β-перехода, при температуре ~750 °С и его окончание при температуре ~950 °С, в то время как измерение термоэдс на образцах, прошедших последовательные ступенчатые отжиги длительностью 3 ч при температурах в интервале 300…700 °С, позволяет определить температуру монотектоидного превращения. Для Zr1Nb исследуемых партий температура монотектоидного превращения составляет (620±7) °С. Результаты проведенных исследований согласуются с данными рентгеноструктурного исследования. Для возможности сравнения аналогичные исследования были проведены на твэльных трубах из сплава Zr+1Nb, изготовленного на основе электролитического циркония (Э110), на котором температура монотектоидного превращения равна ~610 °С.
format	Article
author	Клименко, С.П. Грицина, В.М. Петельгузов, И.А. Черняева, Т.П.
author_facet	Клименко, С.П. Грицина, В.М. Петельгузов, И.А. Черняева, Т.П.
author_sort	Клименко, С.П.
title	Использование методов измерения термоэдс и электросопротивления для исследования фазовых превращений в сплаве Zr1Nb
title_short	Использование методов измерения термоэдс и электросопротивления для исследования фазовых превращений в сплаве Zr1Nb
title_full	Использование методов измерения термоэдс и электросопротивления для исследования фазовых превращений в сплаве Zr1Nb
title_fullStr	Использование методов измерения термоэдс и электросопротивления для исследования фазовых превращений в сплаве Zr1Nb
title_full_unstemmed	Использование методов измерения термоэдс и электросопротивления для исследования фазовых превращений в сплаве Zr1Nb
title_sort	использование методов измерения термоэдс и электросопротивления для исследования фазовых превращений в сплаве zr1nb
publisher	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
publishDate	2007
topic_facet	Диагностика и методы исследований
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/110641
citation_txt	Использование методов измерения термоэдс и электросопротивления для исследования фазовых превращений в сплаве Zr1Nb / С.П. Клименко, В.М. Грицина, И.А. Петельгузов, Т.П. Черняева // Вопросы атомной науки и техники. — 2007. — № 6. — С. 142-148. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.
series	Вопросы атомной науки и техники
work_keys_str_mv	AT klimenkosp ispolʹzovaniemetodovizmereniâtermoédsiélektrosoprotivleniâdlâissledovaniâfazovyhprevraŝenijvsplavezr1nb AT gricinavm ispolʹzovaniemetodovizmereniâtermoédsiélektrosoprotivleniâdlâissledovaniâfazovyhprevraŝenijvsplavezr1nb AT petelʹguzovia ispolʹzovaniemetodovizmereniâtermoédsiélektrosoprotivleniâdlâissledovaniâfazovyhprevraŝenijvsplavezr1nb AT černâevatp ispolʹzovaniemetodovizmereniâtermoédsiélektrosoprotivleniâdlâissledovaniâfazovyhprevraŝenijvsplavezr1nb AT klimenkosp vikoristannâmetodívvimírutermoersíelektrooporudlâdoslídžennâfazovihperetvorenʹusplavízr1nb AT gricinavm vikoristannâmetodívvimírutermoersíelektrooporudlâdoslídžennâfazovihperetvorenʹusplavízr1nb AT petelʹguzovia vikoristannâmetodívvimírutermoersíelektrooporudlâdoslídžennâfazovihperetvorenʹusplavízr1nb AT černâevatp vikoristannâmetodívvimírutermoersíelektrooporudlâdoslídžennâfazovihperetvorenʹusplavízr1nb AT klimenkosp applicationofthermoelectromotiveforceandelectricresistancemeasuringmethodstoresearchingphasetransformationsinzr1nballoy AT gricinavm applicationofthermoelectromotiveforceandelectricresistancemeasuringmethodstoresearchingphasetransformationsinzr1nballoy AT petelʹguzovia applicationofthermoelectromotiveforceandelectricresistancemeasuringmethodstoresearchingphasetransformationsinzr1nballoy AT černâevatp applicationofthermoelectromotiveforceandelectricresistancemeasuringmethodstoresearchingphasetransformationsinzr1nballoy
first_indexed	2025-11-24T10:56:35Z
last_indexed	2025-11-24T10:56:35Z
_version_	1849668974759903232
fulltext	РАЗДЕЛ ПЯТЫЙ ДИАГНОСТИКА И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УДК 621.78.620.186.1 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕРМОЭДС И ЭЛЕКТРОСОПРОТИВЛЕНИЯ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ В СПЛАВЕ Zr1Nb С.П. Клименко, В.М. Грицина, И.А. Петельгузов, Т.П. Черняева Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт», г. Харьков, Украина; Е-mail: klimenko@kipt.kharkov.ua; факс (057)-335-27-54; тел. (057)-335-62-68 Определяются области применимости различных методов для исследования структурно-фазовых превра- щений в сплаве Zr+1Nb, широко используемом в реакторостроении, производство и изготовление изделий из которого осваивается в Украине. Проведено исследование структурно-фазовых преобразований материала твэльных труб из сплава Zr+1Nb, изготовленного на основе кальциетермического циркония (Zr1Nb), путем из- мерения термоэдс и электросопротивления. Установлено, что при изменении электросопротивления наглядно проявляются начало объемного (массивного) α→β-перехода, при температуре ~750 °С и его окончание при температуре ~950 °С, в то время как измерение термоэдс на образцах, прошедших последовательные ступен- чатые отжиги длительностью 3 ч при температурах в интервале 300…700 °С, позволяет определить температу- ру монотектоидного превращения. Для Zr1Nb исследуемых партий температура монотектоидного превраще- ния составляет (620±7) °С. Результаты проведенных исследований согласуются с данными рентгеноструктур- ного исследования. Для возможности сравнения аналогичные исследования были проведены на твэльных тру- бах из сплава Zr+1Nb, изготовленного на основе электролитического циркония (Э110), на котором температу- ра монотектоидного превращения равна ~610 °С. ВВЕДЕНИЕ Целью работы было выяснение чувствительно- сти различных физических методов и возможности применения их для исследования фазовых превра- щений в сплаве Zr+1Nb, а также сравнение значений температуры фазовых превращений этого сплава, определенных разными методами. Знание темпера- турных границ и кинетики фазовых превращений необходимо для правильного выбора режима терми- ческой обработки. Так как примеси могут оказывать влияние на характеристики фазовых превращений, то необходимость в таких исследованиях возникает всегда, когда в результате тех или иных изменений в технологии производства может измениться содер- жание и состояние примесей в сплаве. Естественно, что при таких исследованиях необходимо приме- нять в первую очередь те методы, которые позволя- ют получать достаточно надежные результаты и в тоже время являются доступными. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ Все исследования по определению температур фа- зовых превращений выполнены на образцах, ото- жженных в высоком вакууме (1,3×10-4 Па). В качестве исходного материала выбраны твэльные трубы из сплава Zr+1Nb, изготовленного на основе кальцие- термического циркония, и серийные твэльные трубы на основе смеси электролитического и йодидного циркония (принятое обозначение Э110). Химический состав материала труб приведен в табл. 1. Таблица 1 Химический состав материала труб Материал Nb, мас. % Содержание примесей (×10-3 массовая доля, %) O N C Ca Si Al Cu Ti Fe Ni Cr Mo H F Zr1Nb (пл. 797) 1,06 130 6 7 4,8 8 1,5 1,3 1,6 19 4 1 1 1,3 3 Zr1Nb (пл. 904) 1,06 120 6 9 - 2 - 0,7 - 40 7 1,5 2 - - Zr1Nb (пл. 906) 1,06 140 6 5 - 18 1,4 2,1 - 25 4 1,3 2 - - Э110 [2] 1,0 54 3,0 17,0 10,0 12,0 4,0 1,3 3,0 12,0 5,4 5,0 - - 3,0 _________________________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2007. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (91), с. 142-148. 142 На первом этапе работ по определению темпера- туры фазовых превращений наибольшее внимание уделяли методу измерения электросопротивления образцов при нагреве и последующем охлажде- нии [1]. Этот метод позволяет непосредственно из- мерить электросопротивление материала образца при данной температуре, а не в состоянии, возник- шем при охлаждении от этой температуры. Инфор- мация, относительно фазовых превращений в сплаве Zr+1Nb и в других циркониевых сплавах, получен- ная методом измерения электросопротивления при нагреве и охлаждении, необходима для выработки суждений о структурно-фазовом состоянии твэлов в условиях аварий, в частности при авариях с потерей теплоносителя (LOСA). Для определения температу- ры α→β-превращения в трубах из Zr1Nb произ- водства ГТИ в состоянии поставки (финишный от- жиг 580 °С в течение 3 ч) использован метод изме- рения электросопротивления при нагреве и последу- ющем охлаждении со скоростью (2 °С/мин) в вакуу- ме 1,3×10-4 Па. Для возможности сравнения анало- гичные исследования выполнены на серийных тру- бах из Э110. В исходном структурном состоянии трубы имеют мелкозернистую равноосную структу- ру: размер зерен 5...12 мкм в трубах из Zr1Nb и 5… 7 мкм в материале труб из Э110 (рис. 1). а б Рис. 1. Структура труб из Zr1Nb (а) и Э110 (б) в исходном состоянии. Поперечное сечение, поляри- зованный свет Образцы для измерения электросопротивления представляли собой продольные полоски шириной 1,0...1,5 мм и длиной ∼100 мм (база измерений 50 мм), вырезанные электроискровым методом в продольном направлении из оболочечных труб, ис- пользуемых в исследованиях. Измерение электросо- противления проводилось с использованием потен- циометра Р-363-2 компенсационным методом, и электросопротивление определялось как среднее арифметическое двух показаний, полученных при пропускании тока в противоположных направлени- ях. При каждой из температур измерения проводили не менее чем на трех образцах. Погрешность изме- рения электросопротивления на одном образце не превышала ±0,05 %. Разброс значений удельного электросопротивления на образцах не превышал ±0,5 %. Для измерения электросопротивления в ин- тервале температур от комнатной до ~1000 °С к об- разцам посредством точечной сварки приваривались токовые и потенциометрические выводы. Температуру измеряли калиброванной хромель- алюмелевой термопарой. Каждый образец использо- вался только в одном цикле нагрев – охлаждение. Установка для измерения электросопротивления приведена на рис. 2. Рис. 2. Установка для измерения электро- сопротивления: а – схема установки для высокотемпературных электрических измерений; б – схема устройства, используемого для измерения удельного электросопротивления при комнатной температуре:1 – стабилизированное электропи- тание; 2 – термопара; 3 – сбор данных; 4 – диффузионный насос; 5 – форвакуумный насос; 6 – печь нагрева; 7 – образец; 8 – кварцевая трубка; 9 – пружина; 10 – стойка крепления образца; 11 – основание из органического стекла; 12 – контрольные ножи РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ В табл. 2 приведены значения удельного электросопротивления ряда циркониевых сплавов, используемых в качестве материала в ядерных реакторах, труб из Zr1Nb, исследуемых в данной работе, и чистого циркония [3]. Самое низкое удельное электросопротивление имеет чистый цирконий. Удельное сопротивление Zr1Nb выше, чем Э110, что может быть обусловлено более высоким содержанием кислорода в Zr1Nb, _________________________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2007. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (91), с. 142-148. 11 1 12 97 10 2 3 4 5 6 7 8 б а 143 присутствие которого в твердом растворе α-циркония вызывает искажение кристаллической решетки. Значение удельного электросопротивления сплава Zr+2,5Nb(Э125), закаленного от 940 °С, выше, чем в сплаве Zr+2,5Nb, отожженном при 580 °С, что обусловлено значительным искажением кристаллической решетки присущего ему метаста- бильного α′ -состояния (α′ – пересыщенный твердый раствор ниобия в α-цирконии). Таблица 2 Электросопротивление циркония и сплавов Zr-Nb при комнатной температуре Материал ρ, мкОм×см Zr (чистый) 42,5 [3] Zr+1Nb (Э110), отожженный при 580 °С, 3 ч 49 Zr+1Nb (Zr1Nb), отожженный при 580 °С, 3 ч 57,5 Zr+2.5Nb (Э125), отожженный при 580 °С, 3 ч Zr+2.5Nb (Э125), СВЧ-обработанный (с закалкой от 940 °С) Zr+2.5Nb (Э125), отожженный при 580 °С, 3 ч + холодная деформация на 7 % Zr+2.5Nb (Э125), отожженный при 580 °С, 3 ч + холодная деформация на 75 % 50,2 53,4 50,2 52,2 Типичные кривые электросопротивления при цикле нагрев-охлаждение для образцов из Э110 и Zr1Nb в области α→β-превращения приведены на рис. 3. 650 700 750 800 850 900 950 1000 0,86 0,88 0,90 0,92 0,94 0,96 0,98 1,00 ρ / ρ m ax T, °C нагрев Zr1Nb охлаж. Zr1Nb нагрев Э110 охлажд. Э110 Рис. 3. Зависимость нормализованного электросо- противления (ρ/ρмаx) от температуры нагрева и охлаждения для труб из Zr1Nb и Э110 в области α→β-превращения С повышением температуры (до 750...770 °С) вслед за максимумом на кривой ρ→Т как для Zr1Nb, так и для Э110 наблюдается уменьшение электросо- противления на ~12 %, что обусловлено потерей стабильности α-состояния и объемным «массив- ным» превращением α→β. Выше температуры 750…770 °С массивный переход α→β вызывает снижение электросопротивления – точка максиму- ма. Конец фазового превращения (температура α+β→β-перехода) фиксируется для сплавов по точ- ке минимума. Температура α+β→β-перехода, опре- деленная методом измерения электросопротивле- ния, составила 880 °С для Э110 (см. рис. 3), что со- гласуется с данными работ [4, 5] и 940…970 °С для серии образцов Zr1Nb. Температура α+β→β-перехо- да 950…970 °С зафиксирована в сплаве М5 (сплав Zr+1Nb с массовой долей кислорода 0,13 %) [6]. За- держка α+β→β-перехода в Zr1Nb по сравнению с Э110 более чем на 60…80 °С может быть связана с более высоким содержанием кислорода в Zr1Nb. Метод измерения электросопротивления для определения температурных границ α→β- превращения широко используется для чистого циркония, сплавов Zr-1Nb-0,8Sn-0,2(0,7)Fe и сплавов типа Zircaloy [7, 8]. Большинство исследователей при изучении α→β-превращения при быстром нагреве и охлаждении используют метод измерения электросопротивления как основную экспериментальную технику [9]. Однако исследование α→β-превращения в сплаве Zr+1Nb имеет свои особенности. В работах [10, 11] приведено изменение электросопротивления сплава Zr+1Nb (Э110) с температурой, где массивный переход α→β фиксируется в области температур 767…787 °С. Данные о начале появления высокотемпературной βZr–фазы в сплаве Zr+1Nb (Э110) весьма противоречивы, но обычно значения температуры монотектоидного превращения лежат в пределах 585…650 °С [4, 12]. В работе [4] приведены данные о температурной зависимости объемной доли β-фазы в Э110 при разных температурах (для всего интервала двойной (α+β) области, определенной по объемной доле мартенситной α′ -фазы, измеренной после охлаждения до комнатной температуры (рис. 4). Рис. 4. Температурная зависимость доли α-фазы (Ο) и размера зерен (∆) [4] Из графика, приведенного на рис. 4, видно, что в интервале 750...880 °С происходят наибольшие _________________________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2007. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (91), с. 142-148. 144 структурные изменения и преобразуется от ~5 до 100 % всего объема материала. Согласно фазовой диаграмме состояния системы цирконий–ниобий [13] данным большинства металлографического и электронно-микроскопического исследований сплава Zr+1Nb температура α+β→β-перехода составляет ∼ 610 °С, что соответствует монотектоидному превращению αZr+βNb ⇔ αZr+βZr в сплаве Zr+1Nb, затем происходит перераспределение ниобия, образование зон повышенной концентрации ниобия и превращение α→β в этих зонах (обычно это происходит в тройных точках и на границах зерен), температура же 750 °С соответствует интенсивному (массивному) превращению αZr→βZr, потере устойчивости решетки α-фазы по всему объему и реализации интенсивных структурных изменений (≥95 % α→β-превращения [4, 14]). Максимум на кривой ρ→Т (расположен вблизи 750 °С согласно данным этой работы как для Э110, так и для Zr1Nb) соответствует началу этой стадии, минимум — ее завершению. Методы, фиксирующие объемные изменения структуры материала при нагреве, например дилатометрия и измерение электросопротивления сплава Zr+1Nb, не позволяют надежно определить температуру начала α→β-(монотектоидного) превращения, так как появление малого количества βZr-фазы и незначительные изменения по концентрации ниобия в первичной α-фазе могут разве что привести к незначительному, слабо заметному перегибу на кривой ρ→Т [14]. Дальнейшие исследования были посвящены в основном определению температуры монотектоидного превращения. Значение температуры монотектоидного превращения определялось методами измерения термоэдс, электросопротивления сплава при комнатной температуре и рентгеноструктурного исследования. Термоэдс металлов и сплавов имеет высокую чувствительность к электронному строению, что дает возможность широкого применения этого метода для исследования структурно-фазового состояния материалов. Было проведено измерение термоэдс сплавов Zr-Nb в различном структурно- фазовом состоянии (подвергнутых механической, термической и термомеханической обработке по разным режимам) с разным содержанием легирующего ниобия и примесей. Так как электронное состояние сплавов зависит от состава сплава по легирующим элементам и примесям, а также от степени упругого искажения кристаллической решетки, то величина термоэдс значительно изменяется при изменении состава, фазового состояния и степени деформации. Термо- э.д.с. была измерена в паре с технической медью при постоянном градиенте температуры (измерения проведены на тех же самых образцах, на которых было измерено электросопротивление). В этом методе проводится измерение напряжения V между образцом и двумя металлическими опорными медными блоками при температурах Т и Т+∆Т (рис. 5). Рис. 5. Схема установки для измерения термоэдс: 1 – стабилизированное электропитание; 2 – образец; 3 – нагреватель; 4 – дифференциальная термопара; 5 – прижимной винт; 6 – медный блок; 7 – цифровой вольтметр В7/46; 8 – потенциометр Р-363-2 Термоэдс S относительно металла блоков 6 дается следующим выражением S=V/∆Т. Измерения проводились при комнатной температуре Т=(20±1) °С и ∆Т=20 °С. Два опорных блока поддерживались при температурах Т, Т+∆Т соответственно. Разность температур между блоками измерялась дифференциальной термопарой и поддерживалась с точностью ±0,1 °С. Погрешность измерений на каждом из образцов не более 1 % от измеряемой величины. Оба конца образца 2 были зажаты в опорных блоках так, чтобы обеспечить хороший термический и электрический контакт. Контакт обеспечивался путем винтового зажима 5. В табл. 3 приведены значения термоэдс, измеренной при комнатной температуре, для материала труб из Zr1Nb разных плавок, исследованных в этой работе. Таблица 3 Значения термоэдс сплавов Zr – Nb в паре с медью при комнатной температуре Материал S, мкВ/град Zr+1%Nb (Zr1Nb), холоднодеформированный, (пл. 904) Zr+1%Nb (Zr1Nb)холоднодеформированный+отжиг: 580 °С, 3 ч (пл.904) 3,52 3,98 Zr+1%Nb (Zr1Nb), отожженный при 580 °С, 3 ч (пл. 906) Zr+1%Nb (Zr1Nb), отожженный при 580 °С, 3 ч (пл. 797) 2,9 3,37 Zr+1%Nb (Э110), отожженный при 580 °С, 3 ч 6,3 _________________________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2007. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (91), с. 142-148. 1 2 8 4 7 65 3 145 Zr+2.5%Nb (Э125), отожженный при 580 °С, 3 ч Zr+2.5%Nb (Э125), СВЧобработанный (с закалкой от 940 °С) Zr+2.5%Nb(Э125) отожженный при 580 °С, 3 ч + холодная деформация на 7 % Zr+2.5%Nb(Э125), отожженный при 580 °С, 3 ч + холодная деформация на 75 % 6,5 5,7 6,18 5,5 Разброс значений термоэдс материала труб из Zr1Nb одной плавки в пределах ±1 %. Значение термоэ.д.с Zr1Nb значительно ниже, чем Э110, что может быть связано с более высоким содержанием кислорода в Zr1Nb. Значение термоэдс сплава Zr+2,5Nb, закаленного от 940 °С, ниже, чем в Zr+2,5Nb, отожженного при 580 °С, что может быть связано с пересыщением α-твердого раствора по ниобию в закаленном материале. После холодной прокатки отожженного сплава Zr+2,5Nb значение термо-э.д.с. уменьшается. Изменение термоэдс с последовательными отжи- гами длительностью 3 ч при всё более высоких тем- пературах (ступенчатом отжиге) показано на рис. 6. Измерение термоэдс проведено после каждого из от- жигов при комнатной температуре. Результаты проведенных исследований – измерения термоэдс и электросопротивления при комнатной температуре на образцах, прошедших механическую и термическую обработку по разным режимам, а также результаты металлографического и рентгеноструктурного анализа приведены на рис. 6-10 и в табл. 2-4. На рис. 6 показана зависимость удельного электросопротивления и термоэдс от температуры последовательных, ступенчатых отжигов длительностью 3 ч холоднодеформированной твэльной трубы в состоянии поставки. 0 100 200 300 400 500 600 700 40 45 50 55 60 Т,ОС ρ, м кО м см 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 ρ s s, м кВ /г ра д Рис. 6. Влияние температуры отжига в течение 3 ч на удельное электросопротивление (□) и термо- э.д.с. в паре с медью (•) Zr1Nb (пл.904) Изменение удельного электросопротивления и термоэдс с температурой отжига имеет несколько характерных стадий. 1. Отжиг при температурах ниже 500 °С приво- дит к значительному уменьшению электросопро- тивления и повышению термоэ.д.с, что может быть связано с процессом возврата в деформированном материале труб. 2. Увеличение температуры отжига от 500 до 560 °С вызывает резкое увеличение термоэдс, при этом электросопротивление остается на уровне элек- тросопротивления материала, отожженного при 500 °С. Согласно результатам металлографического ис- следования и измерения твердости при температуре 560 °С за три часа происходит процесс рекристалли- зации. Исходя из этих данных термоэдс имеет высо- кую чувствительность к рекристаллизации Zr1Nb. 3. С отжигом при температурах в интервале 560 …620 °С электросопротивление и термоэдс остаются на прежнем уровне. На рис. 7 показана структура в продольном сече- нии труб из Zr1Nb в двух состояниях: деформиро- ванном (см. рис. 7,а) и деформированном и затем отожжённом при температурах 580 и 620 °С в тече- ние 3 ч (см. рис. 7,б, в). а б в Рис. 7. Структура труб из Zr1Nb: а – деформированных; б – деформированных и за- тем отожжённых при температуре 580 °С в течение 3 ч; в – деформированных и затем отожжённых при температуре 620 °С в течение 3 ч Зёрна холоднодеформированных труб вытянуты вдоль направления прокатки, их размер ∼10 мкм вдоль оси и около 2 мкм в поперечном направлении. После отжига при температурах в интервале 580...620 °С трубы из Zr1Nb имеют мелкозернистую равноосную структуру с размером зёрен 5...13 мкм. Нет признаков собирательной рекристаллизации. Повышение температуры финишного отжига от 560 до 620 °С не вызывает изменения твердости материала отожженных труб Zr1Nb исследованной в данной работе партии (см. рис. 8). 0 20 560 580 600 620 640 140 160 180 200 220 240 тв е р д о ст ь, к г/ м м 2 температура, оС Рис. 8. Зависимость твердости по Виккерсу, изме- ренная на продольном (■) и поперечном (●) сечении труб из Zr1Nb, от температуры отжига _________________________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2007. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (91), с. 142-148. 146 Результаты проведенных исследований свиде- тельствуют, что трубы Zr1Nb опытной партии, ото- жженные при температурах в интервале 560...620 °С, имеют полностью рекристаллизован- ную, равноосную мелкозернистую структуру. 4. С отжигом при температуре 620 °С термоэдс, так же как и удельное электросопротивление в Zr1Nb резко изменяется, что связано с монотектоид- ным превращением (с тем перераспределением нио- бия в сплаве, которое произошло с указанной термо- обработкой). Появление дополнительного количе- ства ниобия в твердом растворе при такой термооб- работке увеличивает удельное электросопротивле- ние и уменьшает значение термоэдс Хорошая корре- ляция в их изменениях свидетельствует о том, что они обусловлены единой причиной (как мы полага- ем пересыщеним α-твердого раствора по ниобию). На рис. 9, 10 показано влияние температуры от- жига (в интервале 580...700 °С, длительность каждо- го из отжигов 3 ч) на термоэдс и удельное электро- сопротивление материала труб из Э110 и Zr1Nb. 300 400 500 600 700 800 900 42 44 46 48 50 Т оС ρ, м кО м см 5,6 5,8 6,0 6,2 6,4 6,6 6,8 7,0 s ρ s, м кВ /г ра д Рис. 9. Зависимость удельного электросопротивле- ния (□) и термоэдс в паре с медью (•) от темпера- туры отжига (длительность отжига 3 ч) на образцах, вырезанных из твэльных труб из Э110 Измерения проведены после каждой из стадий ступенчатого отжига при комнатной температуре. На Э110 с отжигом при температуре ∼600...610 °С происходит резкое уменьшение термо-\э.д.с. (сту- пенька на кривой S→Tотж.), и резкое увеличение удельного электросопротивления. Согласно имею- щимся сведениям [4, 5, 10] в сплаве Э110 вблизи этой температуры происходит монотектоидное превращение. По результатам измерения термоэдс температура монотектоидного превращения в Zr1Nb разных плавок равна (620±7) °С и её значение равно 620 °С по данным измерения удельного электросо- противления. Видно, что относительно температуры монотектоидного превращения (Тэ) существует хо- рошая корреляция результатов двух использован- ных методов: измерение при комнатной температу- ре термоэ.д.с и электросопротивления образцов, прошедших отжиг и достаточно быстро охлажден- ных до комнатной температуры. 300 400 500 600 700 800 900 40 45 50 55 60 4 1 Т 0С ρ , м кО м с м 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 3 2 s, м кВ /г ра д Рис. 10. Влияние температуры отжига длительно- стью 3 ч на удельное электросопротивление (1) и термоэдс в паре с медью (2 – пл.904; 3 – пл.797; 4 – пл.906) для образцов, вырезанных из твэльных труб различных плавок сплава Zr1Nb Данные от измерения термоэдс дают основания предположить, что основной вклад в разброс по тем- пературе монотектоидного превращения (620±7) °С, вносят некоторые колебания состава по примесям и легирующему элементу в материале разных плавок. Появление в материале труб из Zr1Nb остаточной βZr-фазы (25%Nb) с отжигом при 620 оС в течение 3 ч (см. табл. 4) свидетельствует о монотектоидном превращении при температуре вблизи 620 оС (исследуемый сплав при температуре ниже 620 оС находится в двухфазной области (α+βNb), а при температуре выше 620 оС в двухфазной области (α+βZr)), что согласуется с результатами представленных выше исследований. Таблица 4 Фазовый состав сплава Zr1Nb в исходном и отожженном состояниях (согласно результатам рентгено- структурного исследования). Охлаждение с печью Режим термообработки Фазовый состав Исх. сост. α-фаза βZr нет βNb (82%Nb) (следы везде) 590 оС, 3 ч α-фаза βZr нет βNb (83%Nb) 600 оС, 3 ч α-фаза βZr нет βNb (82%Nb 620 оС, 3 ч α-фаза βZr (25%Nb) βNb (85%Nb) 640 оС, 3 ч α-фаза βZr (23%Nb) βNb (83%Nb) 660 оС, 3 ч α-фаза βZr (23%Nb) βNb (85%Nb) 620 оС, 10 ч α-фаза βZr (23%Nb) βNb (80%Nb) 640 оС, 13 ч α-фаза βZr (20%Nb) βNb (82%Nb) 660 оС, 10 ч α-фаза βZr (23%Nb) βNb (79%Nb) _________________________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2007. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (91), с. 142-148. 147 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 1. Изучена возможность исследования процессов превращения в Zr1Nb методом измерения электро- сопротивления. Совместная обработка имеющихся в литературе сведений о фазах, наблюдаемых в сплаве Zr1Nb, и данных измерения электросопротивления дает основание считать, что процесс превращения протекает в несколько стадий, и максимум на кри- вой ρ→Т при нагреве соответствует началу объем- ного (массивного) превращения αZr→βZr (преобразу- ется ≥95 % всего объема материала), характеризую- щегося наибольшей интенсивностью и потерей ста- бильности α-состояния, минимум – его завершению. 2. Измерены значения термоэдс и электросопро- тивления для твэльных труб из сплавов Zr+1Nb (Zr1Nb различных плавок и Э110) и Zr+2,5Nb. Уста- новлено, что метод измерения термоэдс при комнат- ной температуре после разных вариантов механиче- ской, термической и деформационной обработки очень чувствителен к структурно-фазовым измене- ниям, происходящим при этих обработках. 3. Комплексное исследование методами измере- ния термоэдс, удельного электросопротивления и рентгеноструктурного исследования позволяет до- статочно надежно определить температуру монотек- тоидного превращения. Температура монотектоид- ного превращения в исследуемом сплаве Zr1Nb рав- на (620°С±7) °С. 4. Для определения Тэ метод термоэдс наиболее информативный и достоверный – он прост, удобен и имеет очень высокую чувствительность. ЛИТЕРАТУРА 1. В.М. Грицина, С.П. Клименко, Т.П. Черняева. Использование измерения электросопротивления для изучения фазовых превращений в сплаве Zr1Nb //Вопросы атомной науки и техники. Се- рия «Физика радиационных повреждений и ра- диационное материаловедение» (89). 2006, №4, с. 204–208. 2. Ф.Г. Решетников, Ю.К. Бибилашвили, И.С. Голо- вин. Проблемы создания твэлов ВВЭР-1000 для работы в маневренных АЭС и повышенного вы- горания //Атомная энергия. 1988, т. 64, в. 4, с. 258–266. 3. В.К. Попов, В.К. Бакулин, А.В. Демин. Вихрето- ковый контроль удельного электросопротивле- ния циркониевых сплавов //Дефектоскопия. 1994, №3, с. 57–64. 4. А.И. Алымов, Е.Н. Пирогов, Л.Л. Артюхина, О.В. Комаров. Напряжение установившегося течения при растяжении сплава Н-1 //Атомная энергия. 1987, т. 63, в.1, с. 50-51. 5. Г.П. Кобылянский, А.Е. Новоселов. Радиацион- ная стойкость циркония и сплавов на его основе: Справочные материалы по реакторному материа- ловедению. Димитровград: ГНЦ РФ НИИАР, 1996, 176 с. 6. T. Forgeron, J.C. Brachet, F. Barcelo, А. Castaing, J. Hivroz, J.P. Mardon, and С. Bernaudat. Experi- ment and Modeling of Advanced Fuel Rod Cladding Behavior Under LOKA Conditions: Alpha-Beta Phase Transformation Kinetics and EDGAR //Methodology. Zirconium in the Nuclear Industry: Twelfth International Symposium. 2000, p. 256–278. 7. M. Canay, C.A. Danon, D. Arias. Phase transition temperature in the Zr-rich corner of Zr-Nb-Sn-Fe al- loys //J. Nucl. Mater. 2000, v. 280, p. 365–371. 8. D. Aries and G.R. Castillo. Phase Transformation Temperature in Zircaloy-2 //J. Nucl. Mater. 1987, v. 144, p. 196–199. 9. 9 M. Corchia, F. Righini. Kinetic aspects of the phase transformations in Zircaloy-2 //J. Nucl. Mater. 1981, v. 97, p. 137–148. 10. В.Э. Пелецкий, А.П. Грищук, З.А. Мусаева. Ки- нетические свойства реакторного сплава Э-110 в области высоких температур //Теплофизика вы- соких температур. 1994, т. 32, №6, с. 820–824. 11. V.E. Peletsky. High-temperature thermal conductivi- ty of zirconium-based alloys //High Temperature- High Pressures. 1999, v. 31, p. 627–632. 12. А.Р. Завьялов, АС. Займовский. Влияние химиче- ского состава и микроструктуры на сопротивле- ние ползучести циркониевых сплавов //Реактор- ное материаловедение. Алушта, 1978, т. 6, с. 154–173. 13. А.С. Займовский, А.В. Никулина, Н.Г. Решетни- ков. Циркониевые сплавы в ядерной энергетике. М.: «Энергоатомиздат», 1994, 252 с. 14. C. Toffolon, J.C. Brachet, C. Servant, L. Legras, D. Charquet P. Barbires, and J.P. Mardon. Experimen- tal Study and Preliminary Thermodynamic Calcula- tions of the Pseudo-Ternary Zr-Nb-Fe-(O,Sn) Sys- tem //Zirconium in the Nuclear Industry: Thirteenth International Symposium. 2002, p. 361–383. ВИКОРИСТАННЯ МЕТОДІВ ВИМІРУ ТЕРМО-Е.Р.С. і ЕЛЕКТРООПОРУ ДЛЯ ДОСЛІДЖЕННЯ ФАЗОВИХ ПЕРЕТВОРЕНЬ У СПЛАВІ Zr1Nb С.П. Кліменко, В.М. Грицина, І.А. Петельгузов, Т.П. Черняєва Визначаються області застосовності різних методів для дослідження структурно-фазових перетворень у сплаві Zr+1Nb, який широко використовується в реакторобудуванні, виробництво й виготовлення виробів з якого освоюється в Україні. Проведено дослідження структурно-фазових перетворень матеріалу твельних труб зі сплаву Zr+1Nb, виготовленого на основі кальцієтермічного цирконію (Zr1Nb), шляхом виміру термое.р.с. і електроопору. Установлено, що при зміні електроопору наочно проявляються початок об'ємного (масивного) α→β-переходу при температурі ~750 ºС і закінчення переходу при температурі ~950 ºС, у той час як вимір термое.р.с. на зразках, що пройшли послідовні східчасті відпали тривалістю 3 ч при температурах в інтервалі від 300 до 700 ºС, дозволяє визначити температуру монотектоїдного перетворення. Для Zr1Nb досліджуваних партій температура монотектоїдного перетворення (620±7) ºС. Результати проведених досліджень погодяться з даними рентгеноструктурного дослідження. Для можливості порівняння аналогічні дослідження були проведені на твельних трубах зі сплаву Zr+1Nb, який виготовлено на основі електролітичного цирконію (Е110) і температура монотектоїдного перетворення якого дорівнює ~610 ºС. APPLICATION OF THERMO-ELECTROMOTIVE FORCE AND ELECTRIC RESISTANCE MEASURING METHODS TO RESEARCHING PHASE TRANSFORMATIONS IN Zr1Nb ALLOY S.P. Klimenko, V.M. Grytsyna, I.A. Petelguzov, T.P. Chernyayeva _________________________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2007. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (91), с. 142-148. 148 The paper determines the applicability areas of different methods for the study of structural phase transformations in a Zr+1Nb alloy, which is extensively used in reactor construction; production and fabrication of products from Zr+1Nb is currently developed in Ukraine. Electromotive force and electric resistance were measured to study structural phase transformations of Zr+1Nb fuel rod tubes based on calciothermal zirconium (Zr1Nb). It was established that changes in electric resistance clearly show the beginning of a massive α→β transition at ~750 °C and the end of α→β transition at ~950 °C, whereas measurement of thermo-e.m.f. in the samples subjected to successive 3-hour step annealing in the tempera- ture range from 300 to 700 °C allows the temperature of monotectoid transformation to be found. For sample Zr1Nb batches the temperature of monotectoid transformation is (620±7) °C. The measurement results are consistent with the similar studies carried out on Zr+1Nb fuel rod tubes based on electrolytic zirconium (E110), for which the temperature of monotectoid transformation is equal to ~610 °C. _________________________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2007. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (91), с. 142-148. 149 ВВЕДЕНИЕ Таблица 1 Химический состав материала труб РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ Таблица 2 Электросопротивление циркония и сплавов Zr-Nb при комнатной температуре Таблица 4 Фазовый состав сплава Zr1Nb в исходном и отожженном состояниях (согласно результатам рентгеноструктурного исследования). Охлаждение с печью Фазовый состав ЛИТЕРАТУРА

Использование методов измерения термоэдс и электросопротивления для исследования фазовых превращений в сплаве Zr1Nb

Institution

Ähnliche Einträge