Новые представления о структуре циркониевого сплава Zr-1%Nb для производства труб оболочек твэл
Впервые выполнены теоретические исследования тонкой структуры границ зерен в циркониевых сплавах с гексагональной плотноупакованной решеткой и методом электронной микроскопии и микродифракции установлено существование специальных низкоэнергетических границ в промышленном сплаве Zr-1%Nb. Показана рол...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Дата: | 2007 |
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2007
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/110672 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Новые представления о структуре циркониевого сплава Zr-1%Nb для производства труб оболочек твэл / В.С. Вахрушева, Г.Д. Сухомлин, Т.А. Дергач // Вопросы атомной науки и техники. — 2007. — № 2. — С. 125-128. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-110672 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Вахрушева, В.С. Сухомлин, Г.Д. Дергач, Т.А. 2017-01-05T21:17:57Z 2017-01-05T21:17:57Z 2007 Новые представления о структуре циркониевого сплава Zr-1%Nb для производства труб оболочек твэл / В.С. Вахрушева, Г.Д. Сухомлин, Т.А. Дергач // Вопросы атомной науки и техники. — 2007. — № 2. — С. 125-128. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/110672 699.1.017:621.774 Впервые выполнены теоретические исследования тонкой структуры границ зерен в циркониевых сплавах с гексагональной плотноупакованной решеткой и методом электронной микроскопии и микродифракции установлено существование специальных низкоэнергетических границ в промышленном сплаве Zr-1%Nb. Показана роль специальных границ в формировании структуры мартенситного и бейнитного типов при фазовых превращениях в процессе производства труб-оболочек твэлов из циркониевых сплавов. Вперше виконані теоретичні дослідження тонкої структури границь зерен у цирконієвих сплавах з гексагональною щільно впакованою решіткою й методом електронної мікроскопії й мікродифракції встановлена наявність спеціальних низькоенергетичних границь зерен у промисловому сплаві Zr-1%Nb. Показана роль спеціальних границь у формуванні структури мартенситного й бейнітного типів при фазових перетвореннях у процесі виробництва труб-оболонок твелів із цирконієвих сплавів. For the first time, theoretical investigation in the fine structure of grain boundaries in zirconium alloys with hexagonal close-packed lattice has been carried out and existence of special low-energy boundaries in commercial Zr-1%Nb alloy has been established by electron microscopy and microdiffraction method. The special boundaries role in the formation of martensitic and bainitic structures during phase transformations in the process of making fuel element shell tubes of zirconium alloys has been revealed. ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Материалы реакторов на тепловых нейтронах Новые представления о структуре циркониевого сплава Zr-1%Nb для производства труб оболочек твэл Нові уявлення про структуру цирконієвого сплаву Zr-1%Nb для виробництва труб-оболонок твел The new views of the structure of Zr-1%Nb alloy used in making fuel element shell tube Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Новые представления о структуре циркониевого сплава Zr-1%Nb для производства труб оболочек твэл |
| spellingShingle |
Новые представления о структуре циркониевого сплава Zr-1%Nb для производства труб оболочек твэл Вахрушева, В.С. Сухомлин, Г.Д. Дергач, Т.А. Материалы реакторов на тепловых нейтронах |
| title_short |
Новые представления о структуре циркониевого сплава Zr-1%Nb для производства труб оболочек твэл |
| title_full |
Новые представления о структуре циркониевого сплава Zr-1%Nb для производства труб оболочек твэл |
| title_fullStr |
Новые представления о структуре циркониевого сплава Zr-1%Nb для производства труб оболочек твэл |
| title_full_unstemmed |
Новые представления о структуре циркониевого сплава Zr-1%Nb для производства труб оболочек твэл |
| title_sort |
новые представления о структуре циркониевого сплава zr-1%nb для производства труб оболочек твэл |
| author |
Вахрушева, В.С. Сухомлин, Г.Д. Дергач, Т.А. |
| author_facet |
Вахрушева, В.С. Сухомлин, Г.Д. Дергач, Т.А. |
| topic |
Материалы реакторов на тепловых нейтронах |
| topic_facet |
Материалы реакторов на тепловых нейтронах |
| publishDate |
2007 |
| language |
Russian |
| container_title |
Вопросы атомной науки и техники |
| publisher |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Нові уявлення про структуру цирконієвого сплаву Zr-1%Nb для виробництва труб-оболонок твел The new views of the structure of Zr-1%Nb alloy used in making fuel element shell tube |
| description |
Впервые выполнены теоретические исследования тонкой структуры границ зерен в циркониевых сплавах с гексагональной плотноупакованной решеткой и методом электронной микроскопии и микродифракции установлено существование специальных низкоэнергетических границ в промышленном сплаве Zr-1%Nb. Показана роль специальных границ в формировании структуры мартенситного и бейнитного типов при фазовых превращениях в процессе производства труб-оболочек твэлов из циркониевых сплавов.
Вперше виконані теоретичні дослідження тонкої структури границь зерен у цирконієвих сплавах з гексагональною щільно впакованою решіткою й методом електронної мікроскопії й мікродифракції встановлена наявність спеціальних низькоенергетичних границь зерен у промисловому сплаві Zr-1%Nb. Показана роль спеціальних границь у формуванні структури мартенситного й бейнітного типів при фазових перетвореннях у процесі виробництва труб-оболонок твелів із цирконієвих сплавів.
For the first time, theoretical investigation in the fine structure of grain boundaries in zirconium alloys with hexagonal close-packed lattice has been carried out and existence of special low-energy boundaries in commercial Zr-1%Nb alloy has been established by electron microscopy and microdiffraction method. The special boundaries role in the formation of martensitic and bainitic structures during phase transformations in the process of making fuel element shell tubes of zirconium alloys has been revealed.
|
| issn |
1562-6016 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/110672 |
| citation_txt |
Новые представления о структуре циркониевого сплава Zr-1%Nb для производства труб оболочек твэл / В.С. Вахрушева, Г.Д. Сухомлин, Т.А. Дергач // Вопросы атомной науки и техники. — 2007. — № 2. — С. 125-128. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT vahruševavs novyepredstavleniâostrukturecirkonievogosplavazr1nbdlâproizvodstvatruboboločektvél AT suhomlingd novyepredstavleniâostrukturecirkonievogosplavazr1nbdlâproizvodstvatruboboločektvél AT dergačta novyepredstavleniâostrukturecirkonievogosplavazr1nbdlâproizvodstvatruboboločektvél AT vahruševavs novíuâvlennâprostrukturucirkoníêvogosplavuzr1nbdlâvirobnictvatrubobolonoktvel AT suhomlingd novíuâvlennâprostrukturucirkoníêvogosplavuzr1nbdlâvirobnictvatrubobolonoktvel AT dergačta novíuâvlennâprostrukturucirkoníêvogosplavuzr1nbdlâvirobnictvatrubobolonoktvel AT vahruševavs thenewviewsofthestructureofzr1nballoyusedinmakingfuelelementshelltube AT suhomlingd thenewviewsofthestructureofzr1nballoyusedinmakingfuelelementshelltube AT dergačta thenewviewsofthestructureofzr1nballoyusedinmakingfuelelementshelltube |
| first_indexed |
2025-11-26T11:42:27Z |
| last_indexed |
2025-11-26T11:42:27Z |
| _version_ |
1850619821689929728 |
| fulltext |
УДК 699.1.017:621.774
НОВЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СТРУКТУРЕ ЦИРКОНИЕВОГО СПЛА-
ВА Zr-1%Nb ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ТРУБ ОБОЛОЧЕК ТВЭЛ
В.С. Вахрушева, Г.Д. Сухомлин, Т.А. Дергач
ГП «Научно-исследовательский институт трубной промышленности
им. Я.Е. Осады», г. Днепропетровск, Украина; E-mail: postmaster@vniti.dp.ua
Впервые выполнены теоретические исследования тонкой структуры границ зерен в циркониевых сплавах
с гексагональной плотноупакованной решеткой и методом электронной микроскопии и микродифракции
установлено существование специальных низкоэнергетических границ в промышленном сплаве Zr-1%Nb.
Показана роль специальных границ в формировании структуры мартенситного и бейнитного типов при фа-
зовых превращениях в процессе производства труб-оболочек твэлов из циркониевых сплавов.
Исследования морфологии и генезиса продуктов
превращения показали, что в сплаве Zr−1%Nb при
замедленном охлаждении в кристаллизаторе
∅ 210 мм в исходном слитке формируется характер-
ная реечная структура. В массивных, медленно
охлаждающихся слитках сплава Zr-1%Nb происхо-
дит реакция кооперативного распада β-твёрдого
раствора ниобия в цирконии с образованием двух
дочерних фаз: почти свободного от ниобия
α-циркония (в виде пакетов плоско-параллельных
пластин) и тонких прослоек β-ниобия. В случае бо-
лее быстрого охлаждения и повышенных (до 2,5%)
содержаниях ниобия в прослойках между пластина-
ми α-циркония фиксируется метастабильная β−цир-
кониевая фаза с концентрацией ниобия до 20%, ко-
торая при последующем нагреве до субкритических
температур распадается на β-ниобий и свободный
цирконий [1]. Однако в слитках, медленно охлажда-
ющихся в области температур формирования квази-
монотектоидной структуры, образование метаста-
бильной, богатой ниобием фазы не происходит, по-
скольку при медленном понижении температуры с
относительно высокой обогащение ниобием зазоров
между циркониевыми пластинами продолжается до
тех пор, пока концентрация ниобия не достигнет
50…80%, что достаточно для зарождения
β-ниобиевой фазы в виде твёрдого раствора, содер-
жащего до 15% циркония. При дальнейшем медлен-
ном понижении температуры растворимость ниобия
в цирконии продолжает уменьшаться, и атомы из-
быточного ниобия диффундируют из циркониевых
пластин к готовым образовавшимся ранее подлож-
кам – прослойкам β-ниобия.
Особенностью литой структуры сплава Zr-1%Nb
также являются часто встречающиеся пакеты, в ко-
торых группы широких и узких пластин находятся в
непосредственной близости друг к другу, причем, в
их расположении отчетливо проявляется определен-
ная периодичность [1]. Это нельзя объяснить ло-
кальными изменениями углов наклона к поверхно-
сти шлифа на соседних участках, так как для этого
требуется соответствующее изменение габитуса
пластин в пакете, а наблюдения показывают, что
пластины в пределах одного пакета довольно строго
следуют одной кристаллографической плоскости.
Поэтому можно с уверенностью утверждать, что пе-
риодичность изменений ширины пластин α-цирко-
ния в пределах одного пакета является реальным
пространственным построением, возникающим в
процессе формирования пакета.
На рис. 1 приведены результаты определения из-
менения ширины α-Zr-пластин в пределах одного
пакета вдоль секущей, проведенной перпендикуляр-
но направлению следов пластин.
Рис. 1. Распределение ширин пластин α-Zr в поперечном сечении
Видно, что пластины шириной до 5 мкм регуляр-
но, с периодом ≈20 мкм, чередуются с тонкими, ши-
риной ≈1 мкм. Такая неоднородность может вносить
существенные изменения в кинетику фазовых
_________________________________________________________________________________
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2007. № 2. 125
Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (90), с. 125-128.
превращений при скоростных термических обра-
ботках в промышленных условиях. В частности,
экспериментальное горячее прессование показало,
что если нагрев осуществлялся до температур α+β-
интервала, то после прессования и последующего
охлаждения на воздухе в структуре заготовки на-
блюдается характерная полосчатость. Поэтому по-
вышение температуры и увеличение степени дефор-
мации способствует более полной перекристаллиза-
ции.
Поскольку при более высоких концентрациях
ниобия в α-фазе температура её (α+β)→β-перехода
снижается, то при фиксированной температуре та-
кие участки претерпевают перекристаллизацию
раньше, чем те, которые имеют широкие межпла-
стиночные расстояния. Участки новообразовавшей-
ся β-фазы растут быстрее вдоль тонких пластин, где
для переноса атомов ниобия требуются меньшие
расстояния, поэтому превращение завершается
раньше. Не претерпевшие перекристаллизацию
участки сохраняют пластиночное строение, но сами
пластины плавно изгибаются сообразно течению ме-
талла при прессовании, а межпластиночные расстоя-
ния между ними уменьшаются.
Эксперименты по горячему прессованию сплава
Zr-1%Nb показали, что при индукционном нагреве в
течение 15…20 мин температура полного перехода
в β-состояние составляет 1100 ºС, хотя при длитель-
ных выдержках полное фазовое превращение (при
таком же содержании кислорода в сплаве) происхо-
дит при температуре 950 ºС [2].
Диаграмма на рис. 2 показывает объемную долю
перекристаллизованного металла при прессовании
слитков, полученных электронно-лучевым перепла-
вом (ЭЛП) и гарнисажной плавкой с электромагнит-
ным перемешиванием (ГЭМП) в зависимости от
температуры нагрева под прессование.
Рис. 2. Доля перекристаллизованной α′-фазы
в трубах, после прессования при разных темпера-
турах (ТПР) из литых заготовок, полученных:
1 – ЭЛП; 2 – ГЭМП
Сведения о существовании границ зёрен, кото-
рые можно было бы отнести к специальным низко-
энергетическим на основе концепции решёток сов-
падающих узлов (РСУ), в цирконии, титане и других
металлах и сплавах, имеющих кристаллическую
решётку, относящуюся к гексагональной сингонии,
практически отсутствуют. Однако ранее нами было
показано, что в мартенситных структурах, т.е. в
структурах, образующихся в твёрдом состоянии с
соблюдением ориентационных соотношений между
материнской и дочерней фазами в кубических кри-
сталлах, могут возникать специальные границы [3,
4]. Они образуются между дочерними кристаллами
с некоторыми отклонениями, вызванными отсут-
ствием строгого соответствия реальных углов и осей
поворота теоретическим.
Было сделано предположение, что и в цирконие-
вых сплавах, в частности, в широко используемом в
мировой практике сплаве Zr-1%Nb, в котором при-
сутствуют реечные структуры, аналогичные мартен-
ситным или бейнитным, также могут реализоваться
специальные или близкие к ним большеугловые гра-
ницы.
Известно, что в цирконии и его сплавах при фа-
зовом превращении β→α′ соблюдается ориентаци-
онное соотношение Бюргерса:
{011}β || (0001)α; [11̃1]β || [112̃0]α.
Такая закономерность приводит к тому, что про-
дукты превращения одного монокристалла β-фазы
могут иметь несколько вариантов ориентаций, отли-
чающихся друг от друга поворотами вокруг некото-
рых осей. В первом приближении можно полагать,
что на плоскости (011)β можно расположить плос-
кость (0001)α в двух позициях. Первая, когда направ-
ление [112̃0]α параллельно [11̃1]β, вторая позиция
может быть получена путём совмещения направле-
ния [21̃1̃0]α с другим направлением [111̃]β, лежащим
в этой же плоскости (011)β. В нашем случае направ-
ление [21̃1̃0]α идентично направлению оси а1. Таким
образом, два кристалла α-фазы будут иметь одну об-
щую плоскость (0001)α, но в этой плоскости они бу-
дут повёрнуты вокруг оси с на угол около 6°. Следо-
вательно, рассмотренные первые два варианта ори-
ентаций α-циркония будут разделены в сущности
субзёренной границей с углом разориентировки 6°.
С другой стороны, в объёмно-центрированной куби-
ческой решётке имеется шесть различно ориентиро-
ванных плоскостей (011), на которых могут быть
расположены по два варианта гексагональной α-фа-
зы. Таким образом, всего могут образоваться 12 ва-
риантов кристаллов α-фазы в одном β-кристалле
(рис. 3).
Рис. 3. Схема сопряжения решёток β- и α-фаз при
мартенситном превращении в цирконии
и его сплавах
126
Для выяснения того, как могут взаимно распола-
гаться различные варианты кристаллов между со-
бой, рассмотрены возможные углы между плоско-
стями {011} в кубической решётке. Кристаллогра-
фический анализ показал, что существуют только
три угла между плоскостями {011}: 60, 90 и 120°.
Отличающиеся границы создают варианты располо-
жения кристаллов по плоскостям {011}, ориентация
которых соответствует поворотам на 60 и 90°. В
случае поворота на 60° плоскости {011} пересе-
каются по направлениям <11̃1>, а в случае поворота
на 90° – по направлениям <001>. Именно эти
направления являются осями поворота, если
рассматривать возникновение РСУ при расположе-
нии кристаллов α-фазы по плоскостям {011}.
Если наложить две узловые сетки, отвечающие се-
чению по плоскости (112̃0) и повёрнутые на угол 60°,
то возникает картина, из которой видно, что принци-
пиально строгое совпадение узлов (атомов) отсутству-
ет. С другой стороны, если рассмотреть ближайшие
узлы, то обнаруживается, что они находятся в положе-
нии, близком к совпадению (рис. 4,а,б). Дополнитель-
ный поворот на 2 градуса приводит к полному совпа-
дению этих узлов и образованию сверхрешётки (см.
рис. 4,в), которая в терминах РСУ имеет обратную
плотность совпадающих узлов Σ=13.
а б в
Рис. 4. Расположение узлов решётки α-фазы в сечении по плоскости (112̃0)
при повороте на угол 60° вокруг оси [1120]α || [111]β:
а – общий вид; б – увеличенная деталь сопряжения решёток;
в – схема образования ячейки решётки совпадающих узлов при повороте
плоскости гексагональной решетки циркония вокруг оси [11̃00] на угол 57°
Поворот этого же сечения гексагональной решёт-
ки на угол 90° приводит к почти полному совпаде-
нию узлов через каждые 5 периодов вдоль направле-
ния [0001] и через каждые 8 периодов вдоль направ-
ления [1120].
Можно полагать, что во время превращения фор-
мируется специальная «чистая» граница без дисло-
кационной трёхградусной субзёренной границы, а
несоответствие устраняется в результате введения
дислокаций в межфазную границу, которая в даль-
нейшем не наследуется вновь созданной структу-
рой.
Таким образом, теоретический анализ показал,
что при образовании реечного мартенсита в цирко-
нии могут реализоваться границы со специальной
ориентацией, отвечающей РСУ с точностью до 3°.
Электронно-микроскопическими исследования-
ми с применением дифракции электронов от вы-
бранного микроучастка площадью 3 мкм впервые
было показано, что в пакетной структуре соседних
реек мартенсита наблюдаются такие ориентации
кристаллических решёток, которые подтверждают
наличие между ними взаимной ориентации, отвеча-
ющей РСУ. Наличие специальных низкоэнергетиче-
ских границ зерен в сплаве Zr-1%Nb с ГПУ-решет-
кой оказывает влияние на фазовые превращения при
высокотемпературных процессах деформации слит-
ков из указанного сплава при производстве труб.
Количественная оценка доли таких границ может
быть использована при выборе перспективных тем-
пературных параметров горячей деформации слит-
ков при производстве труб-оболочек твэлов из цир-
кониевых сплавов.
ВЫВОДЫ
1. Исследованы морфология и генезис продуктов
превращения в литом и горячедеформированном
сплаве циркония Zr-1%Nb, предназначенном для
изготовления труб-оболочек твэлов.
2. Впервые рассмотрены теоретические варианты
образования специальных границ между пластинами
монотектоидной структуры в техническом сплаве
Zr1%Nb с гексагональной плотноупакованной ре-
шеткой и получено экспериментальное подтвержде-
ние теоретических исследований тонкой структуры
циркониевого сплава методами электронной микро-
скопии и дифракции.
127
3. Присутствие специальных границ в структуре
циркониевых сплавов может оказывать влияние на
формирование структуры мартенситного и бейнит-
ного типов при фазовых превращениях в процессе
горячей деформации слитков и при термической об-
работке (например, β-закалке) горячедеформирован-
ных труб.
ЛИТЕРАТУРА
1. В.С. Вахрушева, Г.Д. Сухомлин, О.А.
Колонкова. Особенности процессов структурооб-
разования в сплавах циркония с ниобием в литом
и горячедеформированном состояниях //МиТОМ.
2002, №2-3 (17-18), с. 11–18.
2. В.С. Вахрушева, Г.Д. Сухомлин, Т.А. Дергач.
Особенности технологии изготовления труб-обо-
лочек ТВЭЛ из сплава Zr1Nb в Украине //Труды
XIV Международной конф. по физике радиаци-
онных явлений и радиационному материаловеде-
нию. 12-17 июня 2000, Алушта.
С. 122–124.
3. G.D. Sukhomlin, A.V. Andreeva. Particular proper-
ties of ∑=3n boundaries in FCC polycrystals. I.Crys-
tallographical parameters and boundaries faceting
during annealing //Phis. Stat. Sol. (a). 1983, v. 78, p.
333.
4. Г.Д. Сухомлин, В.И. Большаков. Специальные
границы зерен в металлах и сплавах промышлен-
ной чистоты //Сб. научных трудов „Строитель-
ство, материаловедение, машиностроение”.
Днепропетровск, ПГАСиА. 2000. В. 10: «Старо-
дубовские чтения», с. 140–147.
НОВІ УЯВЛЕННЯ ПРО СТРУКТУРУ ЦИРКОНІЄВОГО СПЛАВУ
Zr-1%Nb ДЛЯ ВИРОБНИЦТВА ТРУБ-ОБОЛОНОК ТВЕЛ
В.С. Вахрушева, Г.Д. Сухомлин, Т.О. Дергач
Вперше виконані теоретичні дослідження тонкої структури границь зерен у цирконієвих сплавах з гексагональною
щільно впакованою решіткою й методом електронної мікроскопії й мікродифракції встановлена наявність спеціальних
низькоенергетичних границь зерен у промисловому сплаві Zr-1%Nb. Показана роль спеціальних границь у формуванні
структури мартенситного й бейнітного типів при фазових перетвореннях у процесі виробництва труб-оболонок твелів із
цирконієвих сплавів.
THE NEW VIEWS OF THE STRUCTURE OF ZR1NB ALLOY
USED IN MAKING FUEL ELEMENT SHELL TUBES
V.S. Vakhrusheva, G.D. Sukhomlyn, T.O. Dergach
For the first time, theoretical investigation in the fine structure of grain boundaries in zirconium alloys with
hexagonal close-packed lattice has been carried out and existence of special low-energy boundaries in commercial
Zr-1%Nb alloy has been established by electron microscopy and microdiffraction method. The special boundaries
role in the formation of martensitic and bainitic structures during phase transformations in the process of making
fuel element shell tubes of zirconium alloys has been revealed.
128
В.С. Вахрушева, Г.Д. Сухомлин, Т.О. Дергач
|