Исследования анизотропной термической и радиационно-термической ползучести оболочечных труб из сплава Zr-1%Nb
Приведены результаты расчётно-экспериментальных исследований термической и радиационно-термической ползучести оболочечных труб из сплава Zr-1% Nb. Исследовано поведение эквивалентной скорости установившейся многокомпонентной ползучести и определены коэффициенты анизотропии всех её компонент. Приведе...
Saved in:
| Published in: | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Date: | 2001 |
| Main Authors: | , , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2001
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/78352 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Исследования анизотропной термической и радиационно-термической ползучести оболочечных труб из сплава Zr-1%Nb / А.Я. Рогозянов, Г.П. Кобылянский, А.Е. Новосёлов, А.А. Нуждов, И.М. Кадарметов, А.В. Медведев // Вопросы атомной науки и техники. — 2001. — № 2. — С. 96-103. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-78352 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Рогозянов, А.Я. Кобылянский, Г.П. Новосёлов, А.Е. Нуждов, А.А. Кадарметов, И.М. Медведев, А.В. 2015-03-13T21:36:55Z 2015-03-13T21:36:55Z 2001 Исследования анизотропной термической и радиационно-термической ползучести оболочечных труб из сплава Zr-1%Nb / А.Я. Рогозянов, Г.П. Кобылянский, А.Е. Новосёлов, А.А. Нуждов, И.М. Кадарметов, А.В. Медведев // Вопросы атомной науки и техники. — 2001. — № 2. — С. 96-103. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/78352 621.039.531 Приведены результаты расчётно-экспериментальных исследований термической и радиационно-термической ползучести оболочечных труб из сплава Zr-1% Nb. Исследовано поведение эквивалентной скорости установившейся многокомпонентной ползучести и определены коэффициенты анизотропии всех её компонент. Приведено результати розрахунково-експериментальних досліджень термічної і радіаційно-термічної повзучості оболонкових труб з сплаву Zr-1% Nb. Досліджена поведінка еквівалентної швидкості сталої багатокомпонентної повзучості і визначені коефіцієнти анізотропії всіх її компонент. Presented here are the results of calculated and experimental studies on the thermal and radiation-thermal creep of Zr-1% Nb cladding tubes. The behavior of equivalent rate of steady complex creep was studied and the anisotropy factors of all its components were determined. ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Материалы ядерных реакторов Исследования анизотропной термической и радиационно-термической ползучести оболочечных труб из сплава Zr-1%Nb Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Исследования анизотропной термической и радиационно-термической ползучести оболочечных труб из сплава Zr-1%Nb |
| spellingShingle |
Исследования анизотропной термической и радиационно-термической ползучести оболочечных труб из сплава Zr-1%Nb Рогозянов, А.Я. Кобылянский, Г.П. Новосёлов, А.Е. Нуждов, А.А. Кадарметов, И.М. Медведев, А.В. Материалы ядерных реакторов |
| title_short |
Исследования анизотропной термической и радиационно-термической ползучести оболочечных труб из сплава Zr-1%Nb |
| title_full |
Исследования анизотропной термической и радиационно-термической ползучести оболочечных труб из сплава Zr-1%Nb |
| title_fullStr |
Исследования анизотропной термической и радиационно-термической ползучести оболочечных труб из сплава Zr-1%Nb |
| title_full_unstemmed |
Исследования анизотропной термической и радиационно-термической ползучести оболочечных труб из сплава Zr-1%Nb |
| title_sort |
исследования анизотропной термической и радиационно-термической ползучести оболочечных труб из сплава zr-1%nb |
| author |
Рогозянов, А.Я. Кобылянский, Г.П. Новосёлов, А.Е. Нуждов, А.А. Кадарметов, И.М. Медведев, А.В. |
| author_facet |
Рогозянов, А.Я. Кобылянский, Г.П. Новосёлов, А.Е. Нуждов, А.А. Кадарметов, И.М. Медведев, А.В. |
| topic |
Материалы ядерных реакторов |
| topic_facet |
Материалы ядерных реакторов |
| publishDate |
2001 |
| language |
Russian |
| container_title |
Вопросы атомной науки и техники |
| publisher |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| format |
Article |
| description |
Приведены результаты расчётно-экспериментальных исследований термической и радиационно-термической ползучести оболочечных труб из сплава Zr-1% Nb. Исследовано поведение эквивалентной скорости установившейся многокомпонентной ползучести и определены коэффициенты анизотропии всех её компонент.
Приведено результати розрахунково-експериментальних досліджень термічної і радіаційно-термічної повзучості оболонкових труб з сплаву Zr-1% Nb. Досліджена поведінка еквівалентної швидкості сталої багатокомпонентної повзучості і визначені коефіцієнти анізотропії всіх її компонент.
Presented here are the results of calculated and experimental studies on the thermal and radiation-thermal creep of Zr-1% Nb cladding tubes. The behavior of equivalent rate of steady complex creep was studied and the anisotropy factors of all its components were determined.
|
| issn |
1562-6016 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/78352 |
| citation_txt |
Исследования анизотропной термической и радиационно-термической ползучести оболочечных труб из сплава Zr-1%Nb / А.Я. Рогозянов, Г.П. Кобылянский, А.Е. Новосёлов, А.А. Нуждов, И.М. Кадарметов, А.В. Медведев // Вопросы атомной науки и техники. — 2001. — № 2. — С. 96-103. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT rogozânovaâ issledovaniâanizotropnoitermičeskoiiradiacionnotermičeskoipolzučestioboločečnyhtrubizsplavazr1nb AT kobylânskiigp issledovaniâanizotropnoitermičeskoiiradiacionnotermičeskoipolzučestioboločečnyhtrubizsplavazr1nb AT novoselovae issledovaniâanizotropnoitermičeskoiiradiacionnotermičeskoipolzučestioboločečnyhtrubizsplavazr1nb AT nuždovaa issledovaniâanizotropnoitermičeskoiiradiacionnotermičeskoipolzučestioboločečnyhtrubizsplavazr1nb AT kadarmetovim issledovaniâanizotropnoitermičeskoiiradiacionnotermičeskoipolzučestioboločečnyhtrubizsplavazr1nb AT medvedevav issledovaniâanizotropnoitermičeskoiiradiacionnotermičeskoipolzučestioboločečnyhtrubizsplavazr1nb |
| first_indexed |
2025-11-24T03:44:55Z |
| last_indexed |
2025-11-24T03:44:55Z |
| _version_ |
1850839711394824192 |
| fulltext |
УДК 621.039.531
ИССЛЕДОВАНИЯ АНИЗОТРОПНОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ И
РАДИАЦИОННО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ПОЛЗУЧЕСТИ ОБОЛОЧЕЧНЫХ
ТРУБ ИЗ СПЛАВА Zr-1%Nb
А.Я.Рогозянов, Г.П.Кобылянский, А.Е.Новосёлов, А.А.Нуждов,
И.М.Кадарметов*, А.В.Медведев*
ГНЦ РФ НИИАР, г. Димитровград, Россия; *ГНЦ РФ ВНИИНМ, г. Москва, Россия
Приведено результати розрахунково-експериментальних досліджень термічної і радіаційно-термічної
повзучості оболонкових труб з сплаву Zr-1% Nb. Досліджена поведінка еквівалентної швидкості сталої
багатокомпонентної повзучості і визначені коефіцієнти анізотропії всіх її компонент.
Приведены результаты расчётно-экспериментальных исследований термической и радиационно-терми-
ческой ползучести оболочечных труб из сплава Zr-1% Nb. Исследовано поведение эквивалентной скорости
установившейся многокомпонентной ползучести и определены коэффициенты анизотропии всех её компо-
нент.
Presented here are the results of calculated and experimental studies on the thermal and radiation-thermal creep
of Zr-1% Nb cladding tubes. The behavior of equivalent rate of steady complex creep was studied and the
anisotropy factors of all its components were determined.
ВВЕДЕНИЕ
Работа посвящена изучению закономерностей
установившейся ползучести российского цирко-
ниевого сплава Zr–1%Nb (Э110), из которого изго-
тавливают оболочки твэлов всех энергетических ре-
акторов типов ВВЭР и РБМК.
Опыт исследований такого рода, включая и за-
рубежный на циркалоях и сплаве Zr-2,5%Nb [1, 2],
показывает, что ползучесть сплавов циркония под
облучением включает как чисто радиационные, так
и обычные, термические компоненты.
В отличие от сталей внереакторная ползучесть
сплава Zr–1%Nb при температурах ниже 450 оС до-
статочно велика и легко фиксируется средствами из-
мерения. Это позволило изучать закономерности по-
ведения термических компонент в основном без об-
лучения.
При исследовании радиационных компонент за-
дача состояла в том, чтобы обеспечить достаточно
полную имитацию условий эксплуатации оболочек
твэлов с учётом перспектив повышения выгорания
продуктов деления до 70 и более МВт ⋅ сут/ кгU.
В статье представлены результаты исследования
зависимостей эквивалентной скорости установив-
шейся ползучести сплава Zr-1%Nb, главным об-
разом в виде оболочечных труб, от основных факто-
ров внешнего воздействия и поведения коэффициен-
тов анизотропии ползучести.
1. ОБРАЗЦЫ И МЕТОДИКИ
ИСПЫТАНИЙ
Исследования проводили с использованием спе-
циально разработанной методологии, в основе кото-
рой лежит система уравнений механики, связываю-
щих компоненты скоростей деформации zε , θε , rε ,
напряжения σz, σθ, σr в продольном z, тангенциаль-
ном θ и радиальном r направлениях, их эквивалент-
ные значения эквε (ч-1), σэкв(МПа) и коэффициенты
анизотропии Хилла G, H и F:
( )[ ]rzэквэквz HGHG)( σ−σ−σ+σε=ε θ ,
( ) ( )[ ]rzэквэкв FGGF σ−σ−σ+σε=ε θθ , (1)
( ) ( )[ ]θσ−σ−σ+σε=ε FHHF zrэквэквr ,
2
rz
2
z
2
rэкв )(H)(G)(F σ−σ+σ−σ+σ−σ=σ θθ ,
G + H = 1.
При нормирующем условии G + H = 1 скорость
ползучести zε для продольного растяжения равна
эквε , что и определило методику изучения пове-
дения эквивалентной скорости ползучести.
Для определения коэффициентов анизотропии к
испытаниям при растяжении по оси z добавляли ис-
пытания газонаполненных образцов, которые счита-
ли тонкостенными (σθ ≈ 2σz, σr ≈ 0). В обоих случаях
непрерывно или периодически измеряли продоль-
ную εz и тангенциальную εθ деформации, а по ним
рассчитывали скорости zε и θε .
По результатам испытаний с растяжением опре-
деляли G и H :
( ) РzH1G εε−=−= θ . (2)
Коэффициент F определяли по результатам ис-
пытаний образцов при газовом нагружении:
( ) ( ) G5,0G5,0F Гz −−εε= θ . (3)
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2001. №2.
Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (79), с.96-103.
96
В случае линейной ползучести ( эквε = А⋅σэкв ) ис-
пользовали другую методику. Сначала находили ко-
эффициент А по результатам испытаний с растяже-
нием. По результатам испытаний газонаполненных
образцов определяли
( ) ( )θσ⋅ε−=−= A5,0H1G Гz (4)
и
( )
G5,0
A
F Г −
σ⋅
ε
=
θ
θ . (5)
Напряжение σθ рассчитывали, используя зави-
симость
P
2
D
δ
=σ θ , (6)
где Р – давление газа в трубке при испытании, МПа;
D , δ - средний диаметр и толщина трубки.
Образцы для испытаний представляли собой от-
резки штатных оболочечных трубок с наружным
диаметром 9,15 мм и толщиной 0,7 мм.
Длина отрезков при испытаниях на растяжение
была равна 50 мм, при газовом нагружении 95…
97 мм.
При стендовых и внутриреакторных испытаниях
на растяжение продольную деформацию εz измеряли
непрерывно, тангенциальную εθ - периодически.
В условиях облучения испытания на растяжение
проводили в инструментованном реакторе РБТ-6 на
образцах, предварительно облучённых в реакторе
БОР-60, что позволяло значительно сокращать вре-
мя достижения установившейся ползучести и изу-
чать зависимость эквε от дозы облучения.
Газонаполненные образцы испытывали на стенде
и в реакторах РБТ-6 и БОР-60. Во всех этих случаях
измерения размеров проводились периодически.
Условия испытаний на ползучесть: температура
230…450 оС, напряжения 70…350 МПа, скорости
радиационной повреждаемости 10-4…2,5⋅10-3 сна/ч,
дозы радиационной повреждаемости 0,1…30 сна.
Погрешности измерения и поддержания температу-
ры 1 %, напряжения – около 2 % (с учётом допусти-
мых колебаний толщины трубок), деформации 2…
5 мкм, параметров облучения 5 %.
2. ВНЕРЕАКТОРНАЯ ПОЛЗУЧЕСТЬ
2.1. Определение коэффициентов
анизотропии
Подробное изложение результатов испытаний
трубчатых образцов из сплава Zr–1%Nb при про-
дольном растяжении и газовом нагружении с целью
определения коэффициентов анизотропии ползуче-
сти сделано нами в работе [3].
Показано, что при температуре 350 оС, напря-
жениях σθ = 102…146 МПа и временах испытаний
на растяжение от 1 до 248 ч. отношение (εz/εθ)р =
= - (1,64 ± 0,04). Испытания образцов под давлением
при той же температуре, напряжениях σθ = = 115…
167 МПа и временах 90…1605 ч. дали (εz/εθ)г = -
(0,188 ± 0,016). Отсюда с помощью выражений (2) и
(3) были рассчитаны коэффициенты анизотропии:
G = 0,61 ± 0,02; H = 0,39 ± 0,02; F = 0,28 ± 0,18.
Продолжая аналогичные испытания, убедились,
что отношение (εz/εθ)г оставалось тем же при измене-
ниях температур испытания в диапазоне 300...420 оС
и расширении диапазона σθ до 200 МПа.
Позднее [4] нами было показано, что результаты
исследований анизотропии ползучести трубок из
сплава Zr–1%Nb при температурах 350...400 оС и
шести разных схемах нагружения (растяжение и
сжатие по оси z, газовое нагружение, комбинации
растяжения и сжатия с газовым нагружением), при-
ведённые в работе [5], удовлетворительно описыва-
ются указанными коэффициентами.
Во всех перечисленных испытаниях зависимость
скоростей ползучести zε и θε от напряжений σz и σ
θ была степенной с показателем степени 5...7.
Отсюда можно заключить, что полученными зна-
чениями G, H и F можно выразить анизотропию сте-
пенной термической ползучести оболочек из сплава
Zr-1%Nb, по крайней мере, при температурах
300...420 оС, напряжениях 100...200 МПа и деформа-
циях до 12 %.
2.2. Исследования температурно-силовой
зависимости эквивалентной скорости
установившейся ползучести
При исследовании поведения эквивалентной ско-
рости эквε использовали собственные результаты ис-
пытаний на растяжение, а также результаты анало-
гичных испытаний, проведённых в ГНЦ РФ ВНИ-
ИНМ и МИФИ.
Объектами испытаний были в основном трубки
диаметром 9,15 мм и толщиной 0,7 мм. Для расши-
рения температурно-силового диапазона исследова-
ний к анализу были привлечены массивы данных,
получаемых на трубках диаметром 5,8 мм и толщи-
ной 0,5 мм и на гагаринских образцах диаметром
3 мм, изготовленных из штатного прутка диаметром
10 мм. Все перечисленные объекты испытаний обла-
дали близкой текстурой и полученные на них ре-
зультаты оказались сопоставимы.
Их детальный анализ и процедура обработки
описаны нами в работе [4]. В ней обоснована воз-
можность использования представлений о высоко-
температурной и низкотемпературной степенной
ползучести, а также о диффузионной линейной пол-
зучести Набарро-Херринга и Кобле. Все эти виды
ползучести проявляют себя в ГПУ-материалах [6] и
осуществляются с помощью диффузии по объёму
зёрен (высокотемпературная степенная ползучесть,
ползучесть Набарро-Херринга), дислокационным
трубкам (низкотемпературная степенная ползу-
честь) и границам зёрен (ползучесть Кобле). Причём
у степенных компонент показатель степени при низ-
ких температурах равен 7, при высоких 5.
В результате получена зависимость эквε (ч-1) от
температуры Т(К), напряжения σэкв (МПа) и размера
зерна d (м) :
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2001. №2.
Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (79), с.96-103.
97
,1069,61046,8
1072,11088,2
18040
3
10
30070
2
2
18040
6
7
22
30070
4
5
25
TэквTэкв
T
c
эквT
с
экв
экв
e
Td
e
Td
e
TG
e
ТG
−−−
−−
⋅+⋅+
+⋅+⋅=
σσ
σσε
(7)
где Gс – зависящий от температуры модуль сдвига,
МПа.
На рис.1 приведены расчётные зависимости
эквε (σэкв) в логарифмических координатах для ряда
температур в пределах от 200 до 800 оС при
d = 7⋅10-6 м и нанесены массивы экспериментальных
данных, полученных при заданных температурах,
включая и неиспользованные при определении зави-
симости (7) чешские результаты [7].
Соответствие расчёта с экспериментом на-
рушается, в определённой мере, лишь при больших
нагрузках и связанных с ними больших деформаци-
ях. Объясняется это тем, что фактические напряже-
ния в этих случаях уже нельзя определять по исход-
ной площади поперечного сечения образцов.
На рис.2 представлены границы температурно-
силовых областей проявления каждого из четырёх
механизмов ползучести оболочек из сплава Zr–
1%Nb. Там же для сравнения показаны аналогичные
границы для Mg, Ti, Zn и Cd, взятые из работы [6].
Для обеспечения сопоставимости результатов вме-
сто σэкв используется сдвиговое напряжение σs , рав-
ное σэкв / 3 .
Замечены следующие закономерности в рас-
положении границ. Границы, разделяющие между
собой степенные компоненты, а также линейные
компоненты, сдвигаются в сторону меньших гомо-
логических температур Т/Тm по мере увеличения
температуры плавления Тm. Границы раздела сте-
пенных компонент от линейных сдвигаются к
большим относительным напряжениям σs/Gc по
мере роста σв/Gc, где σв – предел прочности.
3. ВНУТРИРЕАКТОРНАЯ ПОЛЗУЧЕСТЬ
3.1. Исследования эквивалентной скорости
установившейся ползучести при малой скорости
радиационной повреждаемости
В табл.1 представлены результаты исследования
скорости ползучести эквε , полученные при испыта-
ниях в реакторе РБТ-6 растягиваемых образцов,
предварительно облучённых в реакторе БОР-60 при
температуре 302...314 оС, скорости радиационной
повреждаемости К=(1,32…2,16)·10-4 сна/ч до доз
2,63...9,51 сна.
Испытания проводили при постоянном значении
К=10-1 сна/ч в режиме ступенчатого изменения
напряжения и температуры с изучением на каждой
ступени установившейся ползучести.
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2001. №2.
Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (79), с.96-103.
98
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
-4 -3,8 -3,6 -3,4 -3,2 -3 -2,8 -2,6 -2,4 -2,2 -2
lg
ε
эк
в
lg (σ
экв
/ G
c
)
800 oC 700 oC
600 oC
500 oC
450 oC
420 oC
400 oC
380 oC
350 oC
330 oC
300 oC
200 oC
2
0
-2
-4
-6
-8
-10
-4 -3,8 -3,6 -3,4 -3,2 -3,0 -2,8 -2,6 -2,4 -2,2 -2,0
.
Анализ и обработка результатов сводится к сле-
дующему:
Рис. 1. Расчётные зависимости эквивалентной скорости ползучести эквε от относительного эквива-
лентного напряжения σэкв / Gc для температур внереакторного испытания 200...800 оС. Эксперименталь-
ные точки: - трубки ∅ 9,15 × 0,7 мм; ▲ - трубки ∅ 9,15 × 0,7 мм [7]; - трубки других размеров; -
гагаринские образцы
Рис. 2. Границы температурно-силовых областей проявления различных механизмов внереакторной ползу-
чести в оболочечных трубках из сплава Zr – 1% Nb (1) и в чистых металлах Mg (2), Ti (3), Zn (4), Cd (5).
Области проявления ползучести : I – низкотемпературная степенная; II – высокотемпературная степен-
ная; III – ползучесть Кобле; IV – ползучесть Набарро-Херринга
1. Независимо от дозы повреждаемости при
температурах 300…330 оС и напряжениях
до 200 МПа превалирует радиационная ли-
нейная компонента ползучести, скорость
которой описывается зависимостью
эквЛ,Р BKσ=ε (8)
с модулем радиационной ползучести В, равным
(1,10 ± 0,20)10-4 МПа-1сна-1.
Указанная компонента независима от темпера-
туры. Но с ростом Т напряжения, при которых она
преобладает над другими компонентами, монотонно
снижается. Вклад её в деформацию существенно
больше по сравнению с вкладом термической диф-
фузионной ползучести.
2. С повышением температуры и напряжения
проявляются и становятся превалирующими ком-
поненты ползучести, скорость которых в сильной
степени зависит от Т и σэкв. Они могут быть иден-
тифицированы как термические степенные компо-
ненты, аналогичные присутствующим в выражении
(7), но с численными коэффициентами, уменьшен-
ными вследствие радиационного упрочнения.
На рис.3 в качестве иллюстрации приведены тем-
пературные зависимости скорости ползучести эквε
для необлучаемых и облучаемых трубок из сплава
Zr–1%Nb при напряжении σэкв = 238 МПа. Зависимо-
сти построены с помощью выражений (7), (8) и (9) и
служат подтверждением того, что при достаточно
больших напряжениях эквε под облучением может
быть меньше, чем без облучения. В данном случае
такая ситуация наблюдается при температурах
250...425 оС.
При меньших напряжениях и больших ско-
ростях повреждаемости температурный диапазон
проявления описанного эффекта сужается вплоть до
полного исчезновения.
Если две степенные компоненты описывать как
совокупный процесс с эффективной энергией акти-
вации Qэф, её изменение с температурой будет та-
ким, как это показано на рис.3.
Переход от энергии 250 к 150 кДж/мольК в
условиях облучения происходит при температурах
более низких (на 100...150 оС), чем без облучения.
3. При температуре 375 оС и выше длительная
выдержка (десятки часов при 375 оС и ∼1 ч. при
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2001. №2.
Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (79), с.96-103.
99
10-2
10-3
10-4
10-5 0,1 0,3 0,5 Т/Т
m
τ c
/ G
c
1
2
3
4
5
I
II
III IV
425 оС) после изучения установившейся стадии при-
водит к увеличению скорости ползучести в 2-3 ра-
за. Если после этого снизить напряжение, то вначале
эффект такого рода исчезает. В дальнейшем, по всей
вероятности, после приведения плотности линейных
дислокаций в соответствие с σэкв, он снова прояв-
ляется.
Такое поведение эквε можно объяснить изме-
нением концентрации и размеров дислокационных
петель с ростом температуры облучения. Кинетика
этого процесса такова, что сначала наступает уста-
новившаяся ползучесть, соответствующая практиче-
ски исходной петлевой структуре. По истечении от-
носительно большого промежутка времени эта
структура приходит в новое равновесное состояние,
что и влечёт за собой описанное увеличение эквε .
Таблица 1
Результаты испытаний при продольном растяжении в реакторе РБТ-6 предварительно облучённых
образцов
Условия испытаний в РБТ-6
Т, оС σθ , МПа t , ч эквε , ч –1 Условия испытаний в РБТ-6
Т, оС σθ , МПа t , ч эквε , ч –1
300
100 400 1,07⋅10-6
150 140 1,67⋅10-6 360
138 170 3,75⋅10-6
163 155 6,82⋅10-6
200 165 2,37⋅10-6 375 175 104 1,52⋅10-5
250 300 2,50⋅10-6 200 47 2,53⋅10-5
450
125 4,5 2,93⋅10-4 225 84 4,56⋅10-5
168 2,2 2,60⋅10-3 250 24 2,76⋅10-4
330
100 540 1,11⋅10-6
150 250 1,67⋅10-6 200 10 2,55⋅10-5
34 8,36⋅10-5
200 130 3,33⋅10-6
238 170 5,80⋅10-6 400
140 74 2,40⋅10-5
190 22 6,80⋅10-5
352 238 38 1,50⋅10-5 250 3,2 1,05⋅10-3
379 238 24 7,08⋅10-5 225 6 3,14⋅10-4
403 238 2,2 3,65⋅10-4
425 238 0,5 1,52⋅10-3 300
100 590 1,05⋅10-6
200 1248 2,28⋅10-6
1,15 3,20⋅10-3 350 190 167 7,05⋅10-6
365 238 50 8,10⋅10-5 368 190 435 1,25⋅10-5
425
150 4 1,65⋅10-4 375 190 305 1,55⋅10-5
200 1,4 7,90⋅10-4 392 190 95 4,60⋅10-5
238 0,5 6,44⋅10-3
175 4 2,83⋅10-4 410 190 20 2,05⋅10-4
20 3,48⋅10-4
Рис. 3. Температурные зависимости эквивалентной
скорости ползучести эквε (1) и эффективной энер-
гии активации Q эф её степенных компонент (2) без
облучения (- - -) и в условиях облучения (____)
3.2. Определение коэффициентов анизотропии
При изучении анизотропии ползучести облу-
чаемых труб исходили из того, что согласно её тек-
стурным моделям (см., например, [8]), коэффициен-
ты G, H и F должны быть разными при реализации
различных механизмов деформирования.
Диффузионная ползучесть Набарро-Херринга и
Кобле и линейная компонента радиационной ползу-
чести обусловлена диффузионным массопереносом.
Можно ожидать, что для них будет применима одна
и та же группа коэффициентов анизотропии. Опре-
делить их по результатам внереакторных испытаний
практически невозможно из-за малых скоростей
диффузионной ползучести.
Скорость линейной компоненты радиационной
ползучести значительно больше, но не настолько,
чтобы можно было использовать первую методику
изучения анизотропии. Надёжное определение ко-
эффициентов G и H с помощью выражения (2) по
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2001. №2.
Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (79), с.96-103.
100
Т, оС
550
500
450 400
350 300
10 3
2
10 1
10 -1
10 -3
1
10 -5
10 –7
ε эк
в
, ч
-1 Q
эф
, к
Д
ж
/м
ол
ь
.
150
170
190
210
230
250
2,4 2,8 3,2 3,6 4
результатам испытаний на растяжение в реакторе
РБТ-6 предварительно облучённых образцов оказа-
лось возможным только при таких напряжениях,
когда преобладает вклад степенных компонент пол-
зучести. Получаемая при этом величина G (0,58-
0,56) оказалась несколько меньше определённой без
облучения.
Снижение G может быть следствием влияния ли-
нейной компоненты ползучести. В таком случае для
неё указанный коэффициент должен быть меньше,
чем для степенных компонент.
Поскольку модуль В и, следовательно, коэф-
фициент А = ВК в силовой зависимости радиаци-
онной линейной ползучести известны, для опре-
деления её коэффициентов анизотропии исполь-
зовали вторую методику.
Для этих целей были выбраны результаты испы-
таний в реакторе БОР-60 газонаполненных образцов
при минимальных напряжениях σθ (до 100 МПа) и
температурах (в основном не более 315оС). Образцы
были испытаны до доз повреждаемости 2,86…
11,15 сна. Измерения их размеров показали, что
средние значения (εz)г/(Кσθ) и (εθ)г/(Кσθ) равны со-
ответственно –(0,43 ± 0,016) и 0,88 ± 0,05. Учиты-
вая, что В = (1,10 ± 0,20)·10-4 МПа-1сна-1, из выраже-
ний (4) и (5) получили: G = 0,534 ± 0,007; Н = 0,466±
±0,007; F = -(0,187 ± 0,012).
Можно предположить, что анизотропия степен-
ных компонент ползучести под облучением, по
крайней мере, при относительно низких дозах облу-
чения будет такой же, как без облучения.
Это предположение подтверждают результаты
испытаний газонаполненных образцов в реакторах
БОР-60 и РБТ-6 в широком диапазоне температур и
напряжений.
На рис.4 приведены отношения деформаций пол-
зучести (εz/εθ)г (с исключением вклада ради-
ационного роста) для образцов, испытанных в реак-
торе БОР-60 для разных доз облучения. На устано-
вившейся стадии ползучести такие отношения экви-
валентны отношениям скоростей zε / θε и могут
быть использованы для расчёта коэффициента F по
первой методике.
Каждая точка до доз 6...6,5 сна получена усред-
нением результатов по 5...6 образцам, у которых
напряжение σθ задавалось в диапазоне 85...190 МПа.
Рядом с точкой указана температура испытаний.
Чем меньше температура, тем больше абсолютное
значение отношения (εz/εθ)г и тем ближе оно к ве-
личине, характерной для линейной компоненты пол-
зучести (-(0,430 ± 0,013)). Чем больше температура,
тем оно ближе к измеренному без облучения значе-
нию (εz/εθ)г (-(0,188 ± 0,016)).
При больших дозах ситуация усложнена тем, что
после измерений размеров часть образцов с низкими
значениями σθ была выгружена, а дальнейшие испы-
тания оставшихся образцов проводились уже при
других температурах (после доз 6,5 сна возле точек
указана максимальная температура испытаний). С
учётом этого прослеживается также тенденция сни-
жения абсолютного значения отношения компонент
εz/εθ с ростом температуры и напряжения.
Часть образцов, испытанных в реакторе БОР-60
при температуре 327 оС и напряжениях σθ =
86...149 МПа, была в дальнейшем испытана в реак-
торе РБТ-6 при температуре 375 оС, а следователь-
но, и больших напряжениях (93...161 МПа). Вслед-
ствие этого абсолютные значения εz/εθ уменьшились
и вплотную приблизились к характерной для необ-
лучаемых образцов величине (табл.2), что связано с
преобладающим вкладом в деформацию степенных
компонент ползучести.
Применение для них коэффициентов анизо-
тропии, определённых для внереакторных испы-
таний, оправдано до доз 10...15 сна. При больших
дозах, как явствует из зарубежных данных [1, 2, 9,
10], на ползучесть сплавов циркония начинают
влиять структурные процессы, связанные с уве-
личением плотности C -дислокаций и накоплением
вакансионных петель в базисных плоскостях.
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2001. №2.
Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (79), с.96-103.
101
328
318314 - 329308
326
329
323
318
323
328
330
341
350
335
327
31 2
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0 5 10 15 20
- (
ε z
/ε
θ) г
Kt, сна
3.3. Особенности ползучести при больших
скоростях радиационной повреждаемо-
сти
Физические представления о механизмах ли-
нейной радиационной ползучести [11, 12] и экспери-
ментальные результаты, полученные при внутри-
реакторных испытаниях материалов разного класса
и изделий из них, дают основания утверждать, что
установившаяся стадия процесса в реакторах РБТ-6
(К=10-4 сна/ч) и БОР-60 (К=5⋅10-4…2⋅10-3сна/ч) будет
описываться выражением (9) с постоянным модулем
В и одними и теми же коэффициентами анизотро-
пии. Представления о механизмах степенной ползу-
чести в условиях облучения развиты в значительно
меньшей степени, что не позволяет однозначно
прогнозировать её поведение при больших ско-
ростях радиационной повреждаемости.
Отмеченный аспект проблемы можно иссле-
довать, воспользовавшись результатами испытаний
в реакторе БОР-60 газонаполненных образцов (ис-
пытания на растяжение в нём не производятся из-за
сложности их реализации). Такая возможность обес-
печена прояснением вопроса об анизотропии раз-
личных компонент ползучести.
Рис. 4. Зависимость усреднённых соотношений (εz / εθ) г от дозы повреждаемости Кt для испытанных в
реакторе БОР-60 газонаполненных образцов
В ходе указанных испытаний нами получен
представительный массив данных (более 200 точек)
по деформациям εz и εθ при различных температурах
(308…340 оС), напряжениях (85…190 МПа) и дозах
облучения (1,71…21,5 сна). К анализу и обработке
были привлечены и результаты ранее проведённых
испытаний в реакторе БОР-60 газонаполненных об-
разцов с периодическим измерением εz [13]. Они
расширяют диапазон доз до 30 сна.
Характерной особенностью перечисленных ре-
зультатов является проявление нелинейного харак-
тера силовой зависимости εz и εθ , начиная с напря-
жений σθ = 115…120 МПа. Этот факт приведен в
табл.3 на нескольких примерах, взятых для разных
доз облучения: отношения εz/σθ и εθ/σθ увеличивают-
ся с ростом напряжения.
Напомним, что при аналогичных температурах
степенная ползучесть у испытываемых в реакторе
РБТ-6 образцов становилась заметной лишь тогда,
когда эквивалентное напряжение было больше
200 МПа.
Если считать газонаполненные образцы тонко-
стенными, то для них в соответствии с системой
уравнений (1)
θθθ σ=+⋅σ=+⋅σ=σ 73,025,028,025,0Fэкв . (9)
Следовательно, появление нелинейности зави-
симости εθ(σθ) и εz(σθ) можно было бы ожидать
лишь при напряжениях σθ, больших 200/0,73 =
= 274 МПа. На самом деле, она наблюдается зна-
чительно раньше и связана с большими скоростями
повреждаемости К.
Описанный эффект интерпретирован следующим
образом. При малых значениях К влияние облуче-
ния на степенную ползучесть сводится в основном к
радиационному упрочнению, т.е. к снижению скоро-
сти ползучести. При больших К радиационные диф-
фузионно-активные дефекты ускоряют движение
дислокаций, а следовательно, и ползучесть. Не ме-
няя сам механизм дислокационной ползучести, они
придают ей специфику, которую можно отразить
новой степенной компонентой радиационного
происхождения.
Такая интерпретация согласуется с развитыми
Николсом и Даффином [14] представлениями о
влиянии потока радиационных точечных дефектов
на скорость переползания дислокационного диполя
через препятствия. Это влияние отсутствует при ма-
лых К. Начиная с некоторого порогового его значе-
ния обе краевые дислокации начинают обходить
препятствия, двигаясь не в противоположном
направлении, а в одну сторону. Дальнейший рост К
приводит к пропорциональному увеличению скоро-
сти ползучести.
Статистическая обработка совокупного массива
данных по ползучести газонаполненных трубок в
условиях реактора БОР-60 с учётом анизотропии по-
казала, что эквивалентная скорость с,рε степенной
радиационной ползучести действительно пропор-
циональна скорости повреждаемости К, показатель
степени в силовой зависимости равен 4, а энергия
активации Q = 88 кДж/моль.
Кроме того, особенности дозовых зависимостей
деформаций εz и εθ описываются оптимальным об-
разом, если допустить, что коэффициенты анизотро-
пии степенных компонент ползучести при больших
дозах изменяются. Так, при дозах 20 и 30 сна коэф-
фициенты G, H и F равны соответственно 0,54; 0,46;
0,62 и 0,50; 0,50; 0,93.
Согласно текстурной модели [8] такая эволюция
анизотропии может быть связана с ростом вклада в
ползучесть скольжения дислокаций в базисных
плоскостях ГПУ-решётки твёрдого раствора.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В работе представлены результаты вне-
реакторных и внутриреакторных испытаний на пол-
зучесть оболочечных труб из сплава Zr–1%Nb, про-
ведённых в целях исследования её закономерностей
на установившейся стадии при условиях, характер-
ных для оболочек твэлов существующих и разраба-
тываемых реакторов с водяным охлаждением.
Оригинальная методология решения указанной
задачи предусматривала изучение термических и ра-
диационных компонент ползучести в объёме, доста-
точном для описания её при различных видах нагру-
жения.
Основные результаты работы таковы:
1. Изучено поведение эквивалентной скорос-
ти установившейся внереакторной ползу-
чести и определены коэффициенты анизо-
тропии для её степенных компонент.
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2001. №2.
Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (79), с.96-103.
102
2. Изучена линейная радиационная компо-
нента ползучести; определены модуль ра-
диационной ползучести и коэффициенты
анизотропии.
3. Показано, что эквивалентная скорость сте-
пенных термических компонент ползуче-
сти под облучением, превалирующих в об-
ласти умеренных и больших напряжений
при малых скоростях радиационной по-
вреждаемости, может быть описана так
же, как и без облучения, но с учётом ра-
диационного упрочнения.
Таблица 2
Ползучесть в условиях облучения в реакторе РБТ-6 газонаполненных образцов после их
предварительных испытаний в реакторе БОР-60
Условия испытаний в БОР-60 и состояние после ис-
пытаний Условия и результаты испытаний в РБТ-6
Т,
оС
kt,
cна
σθ,
МПа
εθ ,
%
–εz ,
% –(εz /εθ)г
Т,
оС
σθ,
МПа
∆εθ ,
%
–∆εz ,
% Г
z
ε∆
ε∆−
θ
327 2,86
86 0,22 0,100 0,455
149 0,63 0,211 0,335
149 0,63 0,201 0,319
375
93 0,25 0,053 0,21
161 0,38 0,090 0,24
161 0,39 0,074 0,19
Таблица 3
Приведённые тангенциальная εθ / σθ и осевая εz / σθ деформации газонаполненных трубчатых
образцов при разных условиях испытания в реакторе БОР-60
kt,
сна
Т,
оС
σθ,
МПа
εθ /σθ ,
МПа-1
×10-5
– εz /σθ ,
МПа-1
×10-5
kt,
сна
Т,
оС
σθ,
МПа
εθ /σθ ,
МПа-1
×10-5
– εz /σθ ,
МПа-1
×10-5
1,71 339
190 4,47 0,968
188 4,20 0,856 6,24 317
334
111 7,09 3,022
86 5,55 2,636
190 3,84 0,637 11,24
318
332
183 17,60 4,224
2,02 337
151 3,11 0,921 158 13,56 3,918
126 3,33 0,913 146 13,58 4,321
101 2,57 0,901 133 13,63 4,337
2,86 333
188 5,90 1,973 98 11,22 3,776
188 5,85 2,011
176 4,66 1,540
150 4,20 1,433
150 4,20 1,353
87 2,53 1,195
13,44 313
327
171 18,14 5,198
146 18,16 6,928
133 16,85 6,622
128 15,63 4,727
110 11,86 4,281
2,92 318
181 4,97 1,773
157 3,76 1,548
144 3,19 1,222
16,49
317
331
334
186 33,55 9,419
161 30,00 8,925
136 23,09 9,301
132 3,03 1,280
97 2,27 1,010 21,49 318-
334
182 49,42 7,348
158 46,12 9,136
6,24 317 161 8,76 3,199 6,24 334 136 6,03 2,243
4. При больших скоростях радиационной
повреждаемости К появляется степен-
ная радиационная компонента ползуче-
сти, скорость которой пропорциональна
К. Данная компонента отличается от
термических по параметрам темпера-
турно-силовой зависимости.
5. Для всех степенных компонент ползу-
чести при облучении до доз 10…15 сна
применимы те же коэффициенты анизо-
тропии, что и без облучения. Однако
есть основания считать, что при
больших дозах они изменяются.
ЛИТЕРАТУРА
1. V. Fidleris. Summary of experimental resalts on
in-reactor creep and irradiation growth of zirco-
nium alloys // Atomic Energi Review. 1975, v.
13, p. 51.
2. V. Fidleris. The irradiation creep and growth
phenomena // J. Nukl. Mater. 1988, v. 159, p.
22-42.
3. А.Я. Рогозянов, Г.П. Кобылянский. Внереак-
торная ползучесть сплава Zr-1% Nb в издели-
ях для атомной энергетики // Сб .докладов 5-й
Межотраслевой конференции по реакторно-
му материаловедению. Димитровград, 1998,
т.3, с.164-195.
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2001. №2.
Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (79), с.96-103.
103
14
17
4. А.Я. Рогозянов и др. Исследование неуста-но-
вившейся стадии и анизотропии сплава Zr–
1%Nb // Сб. докладов 4-ой Межотраслевой
конференции по реакторному материалове-
дению. Димитровград, 1996, т. 2, с. 134-147.
5. В.П. Воейков, А.М. Каптельцев, Д.А. Озерец-
кий. Исследование связи анизотропии ползу-
чести оболочечных труб из сплава Zr–1%Nb с
их текс-турой при различных схемах нагру-
жения // Вопросы атомной науки и техники.
Серия: “Атомное материаловедение” 1997,
вып.1(24)., c. 25-35.
6. Г.Дж. Фрост, М.Ф. Эшби. Карты механизмов де-
формирования. Челябинск: «Металлургия», 1989.
7. К. Кухаржова, А. Орлова, Й. Чадек. Характе-
ристики ползучести и структура трубчатых
образцов из сплава Zr – 1% Nb в интервале
температур 573-1173 К // Вопросы атомной
науки и техники. Серия:“Атомное материа-
ловедение”. 1988, вып. 2(27), с. 66-73.
8. Ю.Н. Книжников, В.Н. Кузнецов, В.В. Сквор-
цов. Текстурная модель для определения па-
раметров анизотропии циркониевых сплавов
// Вопросы атомной науки и техники.
Серия:“Физика радиационных повреждений
и радиационное материаловедение”. 1985,
вып.3(36), с. 51-62.
9. R.A. Holt, R.W. Gilbert. 〈C〉 Component disloca-
tions in annealed Zircaloy irradiated at about 570
K // J. Nukl. Mater. 1985, v.137, p.185-189.
10.R.A. Holt. Mechanisms of irradiation growth of
alpha-zirconium alloys // J. Nukl. Mater. 1988,
v.159, p. 310-338.
11.J.R. Matthews, M.W. Finnis. Irradiation creep
models - an over - view // J. Nucl. Mater. 1988,
v. 159, p. 257-285.
12.В.А. Бородин, А.И. Рязанов. Физические ме-
ханизмы радиационной ползучести металлов
// Труды Международной конференции по ра-
диационному материаловедению. Харьков,
1990, т. 3, с. 3-26.
13.Г.П. Кобылянский, А.Е. Новосёлов. Радиа-
ционная стойкость циркония и сплавов на
его основе: Справочные материалы по реак-
торному материаловедению. Димитровград:
ГНЦ РФ НИИАР, 1996.
14.W.J. Daffin, F.A. Nichols. The effect on irradia-
tion on diffusion – controlled creep processes //
J. Nucl. Mater. 1972-73, v. 45, №4, p. 302-316.
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2001. №2.
Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (79), с.96-103.
104
Введение
При нормирующем условии G + H = 1 скорость ползучести для продольного растяжения равна , что и определило методику изучения поведения эквивалентной скорости ползучести.
В случае линейной ползучести (= Аэкв ) использовали другую методику. Сначала находили коэффициент А по результатам испытаний с растяжением. По результатам испытаний газонаполненных образцов определяли
2.1. Определение коэффициентов
анизотропии
Подробное изложение результатов испытаний трубчатых образцов из сплава Zr–1%Nb при продольном растяжении и газовом нагружении с целью определения коэффициентов анизотропии ползучести сделано нами в работе [3].
Таблица 1
Результаты испытаний при продольном растяжении в реакторе РБТ-6 предварительно облучённых образцов
Заключение
Таблица 2
МПа
МПа
Таблица 3
Приведённые тангенциальная / и осевая z / деформации газонаполненных трубчатых образцов при разных условиях испытания в реакторе БОР-60
МПа
МПа
Литература
|