Проблемы оценки качества металла труб активной зоны атомных реакторов в процессе дореакторных испытаний

Проведен анализ стандартных методов оценки одного из основных показателей качества металла – зеренной структуры аустенитных сталей и сплавов на основе циркония и титана, применяемых в качестве конструкционных материалов активной зоны атомных реакторов. Показана несостоятельность стандартных методов...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :	Вопросы атомной науки и техники
Дата:	2004
Автори:	Лезинская, Е.Я., Буряк, Т.Н.
Формат:	Стаття
Мова:	Російська
Опубліковано:	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2004
Теми:	Материалы реакторов на тепловых нейтронах
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/79541
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:	Проблемы оценки качества металла труб активной зоны атомных реакторов в процессе дореакторных испытаний / Е.Я. Лезинская, Т.Н. Буряк // Вопросы атомной науки и техники. — 2004. — № 3. — С. 66-74. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1859764272085598208
author	Лезинская, Е.Я. Буряк, Т.Н.
author_facet	Лезинская, Е.Я. Буряк, Т.Н.
citation_txt	Проблемы оценки качества металла труб активной зоны атомных реакторов в процессе дореакторных испытаний / Е.Я. Лезинская, Т.Н. Буряк // Вопросы атомной науки и техники. — 2004. — № 3. — С. 66-74. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.
collection	DSpace DC
container_title	Вопросы атомной науки и техники
description	Проведен анализ стандартных методов оценки одного из основных показателей качества металла – зеренной структуры аустенитных сталей и сплавов на основе циркония и титана, применяемых в качестве конструкционных материалов активной зоны атомных реакторов. Показана несостоятельность стандартных методов оценки величины зерна в реальных изделиях. Предложен метод компьютерного моделирования зеренной структуры труб-оболочек ТВЭЛ и ТВС при разработке режимов термической обработки. Виконано аналіз стандартних методів оцінки одного з основних показників якості металу – зерненої структури аустенітних сталей та сплавів на основі цирконію і титану, що використовуються як конструкційні матеріали активної зони атомних реакторів. Показано неудосконаленість стандартних методів оцінки розмірів зерна в реальних виробах. Запропоновано метод комп'ютерного моделювання зерненої структури труб-оболонок ТВЕЛ і ТВЗ при розробці режимів термічної обробки. An analysis of standard methods of graine size estimation of basic indexes of austenitic steel and alloys of active area of atomic reactors. It is shown insolvency of standard methods of grain size estimation in the real wares. The suggested method of computer simulation of structures of pipes-shells raperd for working aut of modes of heat treatment.
first_indexed	2025-12-02T04:50:00Z
format	Article
fulltext	УДК: 621.620.18:669.017 ПРОБЛЕМЫ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА МЕТАЛЛА ТРУБ АКТИВНОЙ ЗОНЫ АТОМНЫХ РЕАКТОРОВ В ПРОЦЕССЕ ДОРЕАКТОРНЫХ ИСПЫТАНИЙ Е.Я. Лезинская, Т.Н. Буряк Государственный трубный институт им. Я.Е. Осады, г. Днепропетровск, Украина Проведен анализ стандартных методов оценки одного из основных показателей качества металла – зеренной струк- туры аустенитных сталей и сплавов на основе циркония и титана, применяемых в качестве конструкционных материа- лов активной зоны атомных реакторов. Показана несостоятельность стандартных методов оценки величины зерна в ре- альных изделиях. Предложен метод компьютерного моделирования зеренной структуры труб-оболочек ТВЭЛ и ТВС при разработке режимов термической обработки. Одной из основных характеристик качества ме- талла труб активной зоны атомных реакторов (АР) является величина зерна, поскольку существует до- статочно строгая, хотя и мало изученная материало- ведами зависимость "структура-свойства". При этом особое значение, как показали много- численные исследования, приобретает такой пара- метр зеренной структуры как разнозернистость, ко- торая обусловливает однородность тех или иных свойств готового изделия. Насколько важен этот показатель, можно судить по тем требованиям, которые предъявляют к трубам активной зоны АР (табл. 1): – рекристаллизованная структура и коэффици- ент анизотропии в трубах-оболочках ТВЭЛ из циркония; – пределы допустимой величины зерна в тру- бах-оболочках ТВЭЛ из коррозионностойкой стали для реакторов на быстрых нейтронах; – пределы допустимой величины зерна и раз- нозернистости для труб 2-го и 3-го контуров АР. Особенно жесткие требования по структуре и свойствам предъявляют к трубам-оболочкам ТВЭЛ и ТВС, поскольку ТВЭЛ работает в очень тяжелых условиях. На него действуют мощные потоки бы- стрых и тепловых нейтронов, отличающихся нерав- номерностью; при передаче больших тепловых по- токов в оболочке возникают значительные термиче- ские напряжения; вода высоких параметров оказы- вает коррозионное и эрозионное воздействие на обо- лочку, еще сильнее коррозионное воздействие воды в состоянии кипения; на стенках ТВЭЛов осаждают- ся соли, повышающие температуру и ускоряющие коррозию; в жидких металлах и сплавах наблюдает- ся нежелательное явление – перенос массы (высажи- вание металлов и их соединений на холодных участках); органические теплоносители, полимери- зуясь, образуют осадки на оболочках ТВЭЛов; при распухании ТВЭЛа возникают дополнительные тан- генциальные напряжения в оболочке – все это отри- цательно влияет на их работу при длительной экс- плуатации. Работоспособность ТВЭЛа в реакторе определя- ется тремя факторами: конструкцией, качеством изготовления и режимом эксплуатации активной зо- ны. Такие же факторы определяют и работу ТВС. Самую большую трудность при конструирова- нии ТВС представляет такое дистанционирование ТВЭЛов в ней, при котором ТВС одновременно удовлетворяет механическим (прочность конструк- ции), гидродинамическим (малое сопротивление и равномерное охлаждение ТВЭЛов), теплотехниче- ским и другим требованиям. Следует обеспечивать свободное передвижение ТВЭЛов в ТВС при их тепловом расширении, а так- же предотвращать механическое воздействие на ТВЭЛы со стороны кожуха и крепежных деталей ТВС. Рассматривая требования, предъявляемые к ТВЭЛам и ТВС, необходимо сразу оговорить два из них, вытекающие из задачи создания АР определен- ного типа: во-первых, в ТВЭЛе должно содержаться столько ядерного топлива, сколько необходимо на всю расчетную кампанию, и во-вторых, ТВЭЛ и ТВС должны надежно работать всю кампанию, вы- держивая расчетные выгорания топлива без разру- шения оболочки. Первое условие обеспечивается при изготовлении топливной таблетки, а второе – изготовлением трубы-оболочки. Отсюда требования к конструкции и материалу: – механическая прочность и равномерность по длине и сечению оболочки; – сохранение формы, размеров и герметич- ность в течение всего периода работы ТВЭЛа и ТВС. Все эти качества должны быть обеспечены соот- ветствующей технологией получения изделия, в частности трубы-оболочки, начиная от выплавки металла до готового изделия – тонкостенной трубы. Обычно технология изготовления труб-оболочек ТВЭЛ и ТВС включает целый ряд операций дефор- мации, чередующийся с термической и химической обработкой по специально разработанным режимам. Конечной целью разработки таких режимов является создание однородной структуры с регламентирован- ______________________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2004. № 3. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (85), с. 66-74. 66 ной величиной зерна, которая, в свою очередь, обеспечи- вает соответствующую конструктивную прочность мате- риала [1]. В большинстве случаев процессом, ответственным за формирование такой структуры, в особенности в однофазных высоколегированных сталях и сплавах специального назначения является собирательная рекристаллизация. Таблица 1 Требования к трубам активной зоны реакторов различного типа Нормативный доку- мент Марка стали или сплава Регламентированные требо- вания Нормы требова- ний к зеренной структуре (раз- мер зерна, но- мер) Методы контроля раз- мера зерна Примеча- ние ТУ 14-3-550-80 "Трубы бесшовные особотонкостенные по- вышенного качества из коррозионностойкой стали ЭИ 844БУ-ИД" 026Х16Н15М3- БУ-ИД (ЭИ 844БУ-ИД) 1. Химический состав 2. Неметаллические вклю- чения 3. Размер аустенитного зер- на 4. Механические свойства при растяжении при 20 и 375 °С 5. Стойкость к межкристал- литной коррозии 6. Качество поверхности G7…11 Металлогра- фический по шкалам ГОСТ 5639-82 на 3%, но не менее чем от 3-х труб партии, или 100% не- разрушающий контроль Арбитраж- ный метод контроля размера зерна – ме- таллографи- ческий по шкалам ГОСТ 5639- 82 ТУ 14-3-219-89 "Трубы бесшовные особотонкостенные из коррозионностойкой стали аустенитного класса 03…09Х18Н10Т, 015… 08Х16Н15М3Б, (типа ЭИ 844, ЭИ 547 и ЭП 172) ХН40Б (ЭП 337) 1. Химический состав 2. Неметаллические вклю- чения 3. Размер зерна 4. Механические свойства при растяжении в интервале 20…650 °С (в зависимости от марки стали) в ряде слу- чаев нормы факультативны 5. Стойкость к межкристал- литной коррозии 6. Качество поверхности G7…10, а для стали типа ЭИ 844 G7…11; допускается в 25% труб раз- мер зерна не бо- лее G6 Металлогра- фический по шкалам ГОСТ 5639-82 на каждой трубе или неразру- шающий контроль ТУ 14-3-197-89 "Трубы бесшовные из коррозионностойких марок стали с повы- шенным качеством по- верхности"; ТУ 14-3Р-197-2001 "Трубы бесшовные из коррозионностойких сталей с повышенным качеством поверхно- сти" 08Х18Н10Т 08Х18Н12Т 1. Химический состав 2. Неметаллические вклю- чения 3. Размер аустенитного зер- на 4. Механические свойства при растяжении при 20 и 350 °С 5. Стойкость к межкристал- литной коррозии 6. Качество поверхности Не крупнее G4 Металлогра- фический по шкалам ГОСТ 5639-82 на 5% труб и 100% неразрушаю- щий контроль ______________________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2004. № 3. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (85), с. 66-74. 67 ТУ 14-3-1511-87 "Трубы холоднодефор- мированные особотон- костенные повышенно- го качества из стали марок 06Х16Н15М2Г2ТФР- ИД (ЧС 68-ИД) и 12Х12М1БФР-Ш (ЭП 450Ш) 06Х16Н15М2Г2 ТФР (ЧС 68) и 12Х12М1БФР-Ш (ЭП 450Ш) 1. Химический состав 2. Неметаллические вклю- чения 3. Размер зерна 4. Механические свойства при растяжении при 20, 600 и 650 °С 5. Стойкость к межкристал- литной коррозии 6. Качество поверхности Для стали ЧС- 68 поставка в холоднодефор- мированном со- стоянии (ε ~20%), размер зерна аустенита перед деформа- цией не более G7, не допус- кается G11 и менее. Для стали ЭП- 450 – размер зерна феррита – не более G7 Металлогра- фический по шкалам мето- дика ВНИТИ 7-95-80 и ГОСТ 5639-82 на каждой тру- бе В арбит- ражных случаях разрешает- ся количе- ственным методом по методике ВНИТИ 1-7-86 Продолжение таблицы 1 ТУ У 27.1-8-53-2001 "Трубы бесшовные хо- лоднодеформирован- ные из сплава цирко- ния Zr1Nb"; ТУ 95.2594-96 "Трубы бесшовные хо- лоднокатаные из спла- ва циркония марки Э 110" Сплав Zr с 1% Nb 1. Химический состав 2. Рекристаллизованное со- стояние металла труб 3. Механические свойства при растяжении в продоль- ном и поперечном направ- лении при 20 и 380 °С 4. Коэффициент анизотро- пии σ0,2 при 380 °С 5. Коэффициент ориентации гидридов 6. Коррозионная стойкость в водяном паре 6. Качество поверхности и др. Размер зерна нормирован, определяют по согласованию с потребителем Металлогра- фический по методике предприятия- изготовителя на 2-х трубах от партии от каждого конца трубы или дру- гим согласо- ванным мето- дом ASTM B 811-90 "Stan- dard Specification for Wrought Zirconium Al- loy Seamless Tubes for Nuclear Reactor Fuel Cladding" Циркалой (Zr - Sn) 1. Химический состав 2. Размер зерна после ре- кристаллизационного отжи- ма 3. Механические свойства при растяжении в продоль- ном и поперечном направ- лении при 20°С и по требо- ванию потребителя при по- вышенной температуре 4. Коэффициент ориентации гидридов 5. Коррозионная стойкость в водяном паре 6. Качество поверхности и др. Размер зерна номер G7 и ме- нее Металлогра- фический по методике стан- дарта ASTM E112 ТУ 14-3-820-79 "Трубы бесшовные хо- лоднодеформирован- ные из сплавов" ПТ-1М, ПТ-7М (на основе тита- на) 1. Химический состав 2. Не допустимы инородные включения 3. Механические свойства при растяжении при 20 и 150 °С 4. Отсутствие альфирован- ного слоя 5. Качество поверхности Не регламенти- руется Не контроли- руется ______________________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2004. № 3. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (85), с. 66-74. 68 ТУ 14-3-843-79 "Трубы бесшовные особотонкостенные из сплавов ПТ-1М и ПТ- 7М" ПТ-1М, ПТ-7М (на основе тита- на) 1. Химический состав 2. Не допускаются инород- ные включения 3. Механические свойства при растяжении при 20 °С 4. Отсутствие альфирован- ного слоя 5. Качество поверхности Не регламенти- руется Не контроли- руется Обычно [2] эта стадия наступает после рекристалли- зации обработки, т.е. после того как выросшие центры рекристаллизации приходят во взаимное соприкоснове- ние, и заключается в росте одних новых зерен за счет других тоже новых. Иными словами, создается зе- ренная структура, характеризуемая определенным рас- пределением зерен по размерам. Следовательно, конеч- ной целью создания той или иной структуры является на- хождение параметров ее распределения в объеме готово- го изделия, т.е. распределение зерен в объеме этого из- делия. В идеале кривая распределения зерен по разме- рам в ходе собирательной рекристаллизации должна иметь вид нормального распределения и с увеличением температуры и выдержки при нагреве смещаться в сторо- ну больших размеров (рис. 1,а). Однако в реальных структурах обычно после рекристаллизации обработки собирательная рекристаллизация, как правило, сопрово- ждается вторичной (рис. 1,б), что существенно осложняет изучение процессов формирования зеренной структуры, а соответственно, и прогнозирование свойств готового изделия, что обусловлено значительным отклонением такого распределения от нормального. [N i] ил и [S i] t1 t2>t1 t3>t2 Di → Di → а б Рис. 1. Схема изменения распределения зерен по размерам в процессе собирательной (а) и вторичной (б) ре- кристаллизации (Ni – число зерен данного размера; Si – площадь, занимаемая зернами данного размера) В то же время оценку такой структуры в за- водской практике производят методом визуального сравнения с фотоэталонами соответствующих стан- дартов в условных единицах – номерах. Помимо того, что такая оценка является субъективной, она еще допус- кает большую погрешность измерения, так как приня- тое в стандартах допущение оценки величины зерна с точностью в один номер предусматривает фактическое изменение погрешности от 1 до 100 мкм. Наиболее распространенными методами оценки величины зерна являются стандарт ASTM Е 112 "Стандартные методы испытаний для определения средних размеров зерна, а также ГОСТ 5639 "Стали и сплавы. Методы выявления и определения величи- ны зерна" и ГОСТ 21073.0-75 – ГОСТ 21073.4-75 "Металлы цветные. Определение величины зерна". Анализ основных методов определения величи- ны зерна в металлических изделиях показал следую- щее. Использование методов, предусмотренных ука- занными стандартами, не относится к точным изме- рениям, так как, во-первых, визуальные методы сравнения с фотообразцами вносят субъективизм в оценке тем или иным оператором, а во-вторых, структура металла в объеме является совокупностью трехмерных объектов (зерен), в то время как плос- кое сечение, видимое оператором на шлифе, вклю- чает распределение размеров сечений зерен от нуля ______________________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2004. № 3. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (85), с. 66-74. 69 до максимального его размера в объеме, что приво- дит к ошибочной оценке разнозернистости готового изделия. Эти стандарты построены на принципах оценки зеренной структуры на плоском срезе методом при- менения ступенчатых шкал (фотоэталонов), где каж- дому номеру зерна G соответствует: – для стандарта ASTM Е 112 количество зерен NA на площади в 1 дюйм2 в соответствии с выражением ( )12 −= G AN шт./дюйм2; – для ГОСТ 5639 количество зерен т на пло- щади в 1 мм2, изменяющееся по геометриче- ской прогрессии, в соответствии с выраже- нием Gm 28×= шт./мм2; – аналогичный принцип заложен ГОСТ 21073.0-75 – ГОСТ 21073.4-75, где основные показатели величины зерна (номер зерна, средний и средний условный размеры зерна, средняя площадь сечения зерна и среднее ко- личество зерен на 1 мм2 площади шлифа) сов- падают с показателями ГОСТ 5639. Различие в оценке зеренной структуры по рассмотренным стандартам в том, что в качестве но- меров в отечественных стандартах применяют только целые числа (от 3 до 14 по ГОСТ 5639 и по ГОСТ 21073.0-75 – ГОСТ 21073.4-75), а в ASTM Е 112 ряд рациональных чисел 0; 0,5; 1,0; 1,5; и т.д. до 14 вклю- чительно. При этом ГОСТ 5639 предусматривает ряд условностей, которые допускают двоякое толкование одной и той же величины, что недопустимо при оцен- ке качества изделия ответственного назначения. Наиболее серьезным недостатком стандарта ГОСТ 5639 является допустимость оценки разнозер- нистости структур в номерах, что некорректно по форме и ошибочно по содержанию. Некорректно по форме, так как расчеты показывают, что плоский срез пространственной структуры, состоящей из аб- солютно одинаковых шаров, будет иметь 28% диа- метров плоских сечений зерен размерами в интерва- ле от 0 до D. В то же время ГОСТ 5639 (п. 3.3.6) предусматривает оценивать структуру двумя и бо- лее номерами в случае, если на исследуемой поверх- ности шлифа имеются зерна "…отличающиеся от основного (преобладающего) номера, соответствую- щего определенному эталону шкалы, более чем на 1 номер и занимающую на шлифе площадь более 10%". Ошибочно по содержанию, так как прямой экс- перимент обнаруживает значительное расхождение между оценкой одной и той же структуры ТВЭЛь- ных труб ∅7×0,3 мм из стали 026Х16Н15М3Б срав- нением с фотообразцами ГОСТа 5639 и методом из- мерения длин хорд того же ГОСТа. Результаты оце- нок, приведенные в табл. 2, свидетельствуют о зна- чительном расхождении между величиной зерна в одном и том же образце, но определенном различны- ми методами. При этом расхождение тем больше, чем больше разнозернистость. Такое расхождение в оценке по ГОСТ 5639 связано с самым серьезным недостатком этого стандарта, а именно, допущением присутствия в каждом номере минимального и мак- симального числа зерен соседних номеров, а следо- вательно, присутствие в каждом номере зерен мини- мального и максимального диаметров, причем, та- ким образом, что каждая из этих величин относится одновременно к двум соседним номерам. Например, G6 min одновременно является G7 max и т.д. Эти стандарты построены на принципах оценки зеренной структуры на плоском срезе методом при- менения ступенчатых шкал (фотоэталонов), где каж- дому номеру зерна G соответствует: – для стандарта ASTM Е 112 количество зерен NA на площади в 1 квадратный дюйм в соот- ветствии с выражением ( )12 −= G AN шт./дюйм2; – для ГОСТ 5639 количество зерен т на пло- щади в 1 квадратный миллиметр, изменяю- щееся по геометрической прогрессии, в соот- ветствии с выражением Gm 28 ×= шт./мм2; – аналогичный принцип заложен ГОСТ 21073.0-75 – ГОСТ 21073.4-75, где основные показатели величины зерна (номер зерна, средний и средний условный размер зерна, средняя площадь сечения зерна и среднее ко- личество зерен на 1 мм2 площади шлифа) сов- падают с показателями ГОСТ 5639. Различие в оценке зеренной структуры по рассмотренным стандартам в том, что в качестве но- меров в отечественных стандартах применяют только целые числа (от 3 до 14 по ГОСТ 5639 и по ГОСТ 21073.0-75 – ГОСТ 21073.4-75), а в ASTM Е 112 ряд рациональных чисел 0; 0,5; 1,0; 1,5; и т.д. до 14 вклю- чительно. При этом ГОСТ 5639 предусматривает ряд условностей, которые допускают двоякое толкование одной и той же величины, что недопустимо при оцен- ке качества изделия ответственного назначения. Наиболее серьезным недостатком стандарта ГОСТ 5639 является допустимость оценки разнозер- нистости структур в номерах, что некорректно по форме и ошибочно по содержанию. Некорректно по форме, т.к. расчеты показывают, что плоский срез пространственной структуры, со- стоящей из абсолютно одинаковых шаров, будет иметь 28% диаметров плоских сечений зерен разме- рами в интервале от 0 до D. В то же время ГОСТ 5639 (п. 3.3.6) предусматривает оценивать структуру двумя и более номерами в случае, если на исследуе- мой поверхности шлифа имеются зерна "…отличаю- щиеся от основного (преобладающего) номера, со- ответствующего определенному эталону шкалы, бо- лее чем на 1 номер и занимающую на шлифе пло- щадь более 10%". Ошибочно по содержанию, т.к. прямой экспери- мент обнаруживает значительное расхождение меж- ду оценкой одной и той же структуры ТВЭЛьных ______________________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2004. № 3. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (85), с. 66-74. 70 труб ∅7×0,3 мм из стали 026Х16Н15М3Б сравнени- ем с фотообразцами ГОСТа 5639 и методом измере- ния длин хорд того же ГОСТа. Результаты оценок, приведенные в табл. 2, свидетельствуют о значитель- ном расхождении между величиной зерна в одном и том же образце, но определенном различными мето- дами. При этом расхождение тем больше, чем больше разнозернистость. Такое расхождение в оценке по ГОСТ 5639 связано с самым серьезным недостатком этого стандарта, а именно, допущением присутствия в каждом номере минимального и мак- симального числа зерен соседних номеров, а следо- вательно, присутствие в каждом номере зерен мини- мального и максимального диаметров, причем, та- ким образом, что каждая из этих величин относится одновременно к двум соседним номерам. Например, G6 min одновременно является G7 max и т.д. Таблица 2 Результаты оценки величины зерна аустенита в металле труб ∅ 7×0,3 мм из стали 026Х16Н15М3Б (ЭИ 844БУ-ИД) Н ом ер о бр аз ца В ел ич ин а зе рн а по р ез ул ьт ат ам в из уа ль но й оц ен ки и зн ач ен ия в с оо тв ет ст ви е с ГО С Т 56 39 Номер зерна G по ГОСТ 5639-82 14 12 10 9 8 7 6 5 Значения диаметров, соответствующих предельным значениям, допустимым дан- ным номером 0,0022… 0,0032 0,0044… 0,0062 0,0088… 0,0125 0,0125… 0,0177 0,0177… 0,0250 0,0250… 0,0354 0,0354… 0,050 0,050… 0,0707 Расчетная величи- на зерна Относительная доля длин хорд, занимаемых данной размерной группой в % G dL, MKM Коэффици- ент вариа- ции, k 1 G10, G7 10,8 33,2 24,2 15,1 9,7 6,5 0,5 - 10 10,4 0,7 2 G6, G9 14,6 29,9 27,6 12,9 5,5 7,6 1,9 - 10 10,5 0,8 3 G11, G8 14,0 38,0 31,7 8,6 4,1 3,6 - - 11 8,3 0,7 4 GI1, G8 14,6 42,7 28,6 7,9 3,0 3,0 - 0,2 11 8,0 0,75 5 G11, G8 9,9 38,8 28,4 11,4 6,7 4,4 0,4 - 10 9,4 0,7 6 G11, G8 11,5 28,6 34,0 17,2 5,4 3,1 0,2 - 10 9,6 0,6 7 G11, G9 5,5 49,4 26,8 11,0 3,5 3,8 - - 11 8,6 0,6 8 G11, G9 6,0 46,6 27,9 7,8 6,8 4,9 - - 10 9,1 0,7 Известные расчетные методы позволяют измерять величину зерна с меньшей погрешностью. Однако из-за большой трудоемкости на практике их не использу- ют, а применяют исключительно в исследовательских целях, либо в случае рекламации готовых изделий. Развитие компьютерной техники дает возможность существенно сократить трудоемкость количественных методов оценки зерен ной структуры и получать наи- более полную информацию, так как современные компьютеры оснащены программами, обеспечивающи- ми распознавание структуры с металлографического шлифа, получение кривых распределения размеров зерен и расчеты всех параметров исследуемой структуры, что позволяет оценивать разнозернистость, а следовательно, однородность структуры готового изделия. Для разработки соответствующих режимов термиче- ской обработки холоднодеформированных изделий, например, труб, используют один из известных мето- дов получения кривых распределения размеров зерен в объеме готового изделия [3]. В качестве исходной ин- формации используют кривые распределения длин хорд или диаметров плоских сечений зерен, полученных на металлографических шлифах после различных режи- мов термической обработки. Достаточно подробно эти методы проанализированы и представлены в монографии К.С. Чернявского [4], в которой автор впервые вводит весьма удачное поня- тие "реконструкция" объемной зеренной структуры по ее плоскому срезу. ______________________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2004. № 3. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (85), с. 66-74. 71 Преимущество такой терминологии заключается в том, что самым проблемным вопросом для металлове- дов является изучение структуры в объеме изделия, которое является непрозрачным телом, а потому все известные методы изучения в объеме сводятся к вос- произведению ее на основании изучения срезов (сече- ний) непрозрачных тел, что, собственно, и является реконструкцией. Другим методом изучения объемной структуры металлических изделий является моделирование на прозрачных объектах. Однако все эти методы облада- ют двумя существенными недостатками: большой трудоемкостью создания моделей и получения на них исходной информации и весьма узкие рамки в части варьируемых размерных параметров исследуемой структуры. Например, у Шайля их не более 10, а у Салтыкова не более 15. Главным же недостатком этих методов является невозможность моделирования по- лидисперсной разнозернистой структуры, поскольку все они разрабатывались для монодисперсной струк- туры, состоящей из объектов одного размера, напри- мер, шара или полиэдров различной формы [5]. С целью разработки режимов термической обработки, обеспечивающей получение требуемой структуры в ме- талле труб-оболочек ТВЭЛ, создан метод компьютерного моделирования параметров зеренной структуры видимой на плоском срезе по заданному распределению зерен в объеме изделия. В основу метода* положены два общепринятых в стереометрической металлографии допущения: – в качестве модели зерен однофазной стали могут служить шары, равновеликие реальным зернам; – существует функциональная связь между рас- пределением размеров зерен в объеме, на пере- секающей этот объем случайной плоскости и на секущей случайной линии в этой плоскости. Пер- вое допущение сделано на основании много- численных исследований, свидетельствую- щих о том, что зеренная структура, форми- рующаяся в процессе собирательной рекри- сталлизации сталей и сплавов, представляет собой плотноупакованный конгломерат выпуклых кристаллитов, имеющих форму, близкую к одному из представленных на рис. 2 многогранников, которые с достаточно вы- сокой степенью приближения можно заме- нить равновеликими по объему сферами [3]. Подтверждением этому является и найденная нами аналогия зависимости количества углов в слу- чайных сечениях реальных структур аустенитной (08Х18Н10Т) и ферритной (l5Х25T) сталей со слу- чайными сечениями пентадодекаэдра. Для этого было выполнено сечение пентадодека- эдра случайными плоскостями в пределах измене- ния формы многоугольников от 3-х до 10-ти и по- * В разработке метода принимали участие к.т.н Пер- чаник В.В. и инженер Клюев Д.Ю. строен статистический ряд распределения, характе- ризующий частоту появления фигур каждого типа. Рис. 2. Возможные формы рекристаллизованных зерен металлических материалов Для сравнения на рис. 3 нанесены ряды распре- деления многоугольников, полученные на шлифах аустенитной и ферритной стали. Совпадающий ха- рактер распределения, особенно для зерен феррита, дает основание считать пентадодекаэдр адекватной моделью объемного строения металла с выпуклыми равноосными зернами. Второе допущение проанализировано достаточ- но подробно в диссертациях [6,7], и на основании сделанного анализа разработан метод реконст-рук- ции путем решения системы уравнений, которые позволяют получать вполне корректные результаты в сравнении с известными (рис. 4). 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Количество углов сечения ______________________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2004. № 3. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (85), с. 66-74. 72 Р , % – пентадодекаэдр; – аустенит; – феррит Рис. 3. Кривые распределения углов в сечениях пен- тадодекаэдра и реальных структур аустенитной и ферритной сталей Исследовали десять типов модельных структур с различным распределением в объеме зерен в виде шаров диаметрами от 1 до 20 мм и из шаров одного максимального размера – 20 мм. Количество зерен- шаров в объеме изменяли в пределах от 2,5 до 100%. 0 10 20 30 40 0 2 4 6 8 10 12 № интервала ▲ − Pi (l); ■ − Pi (δ) экспериментальные; • − pi (δ) реконструированные Рис. 4. Распределение размеров плоских сечений зе- рен, установленные экспериментально и реконстру- ированные в соответствии с разработанным ме- тодом Результаты компьютерной обработки заданных структур приведены в табл. 3. Анализ вида кривых распределения, а также ре- зультатов расчетов позволяет сделать следующие обобщения. Рассечение объема, состоящего из одинаковых зерен-шаров, случайной плоскостью приводит к по- явлению зерен-кругов более мелких размеров в ко- личестве примерно 26%, а сечение такой плоскости случайной линией увеличивает разнозернистость до 36%, о чем свидетельствуют коэффициенты вариа- ции, полученные для фигур 1,а; 1,б; 1,в табл. 3. Это согласуется с расчетными данными, приведенными в работах [7, 8]. Аналогичные результаты получены и для нор- мального распределения, а также для фотоэталонов стандартных шкал ГОСТ 5639 (рис. 5, 6). 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2 0,22 0,24 0,26 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Рис. 5. Распределение моделируемых размеров хорд и плоских сечений от нормального распределения шаров в объеме Известно, что вид кривой распределения харак- теризуется несколькими параметрами, в частности, средним значением и коэффициентом вариации, ко- торые дают общее представление о распределении. В нашем случае коэффициент вариации характери- зует разнозернистость моделируемой структуры, а вид кривой распределения указывает на преоблада- ющую по величине группу зерен. Сопоставление результатов расчетов коэффици- ентов вариации и вида кривых распределения, при- веденных на фигурах 2-7 табл. 3, подтверждают вы- вод о том, что наиболее полной характеристикой разнозернистости структуры в любом сечении, а следовательно и на шлифе, являются вид кривой распределения и коэффициент вариации. Например, разнозернистость, представленная кривыми (фигуры 2,а; 3,а и 4,а), в числовом выражении одинакова, за- даны 9 разных размеров зерен, но различна в коли- честве зерен различных размерных групп. Расчеты показали, что максимальная разнозерни- стость, характеризуемая коэффициентом вариации, соответствует распределению зерен-шаров в объеме, соответствующему приведенным на фигурах 3, 5 и 7, т.е. для кривых, имеющих максимальный разброс диаметров. Таблица 3 Результаты компьютерной обработки заданных структур П а р а м е т р ы р а с п р е д е л е н и я Вид кривой Положение сечения Среднее значение Ср. квадратичное от- клонение Коэффициент вариации ______________________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2004. № 3. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (85), с. 66-74. 73 l δ D общий D=0,366 δ=0,402 l=0,451 P i(l) , P i(δ ); % Фиг. 1 a D (объем) 20,0 0 0 (0,34) б δ (плоскость) 14,5 3,65 0,26 (0,40) в l (линия) 11,8 4,26 0,36 (0,45) Фиг. 2 a D 9 3,63 0,403 б δ 7,767 3,559 0,458 в l 6,77 3,379 0,499 Фиг. 3 a D 6,308 4,409 0,699 б δ 5,531 3,962 0,716 в l 4,900 3,559 0,726 Фиг. 4 a D 11,69 4,409 0,377 б δ 9,915 4,424 0,446 в l 8,492 4,23 0,449 Фиг. 5 a D 9 5,65 0,62 б δ 7,69 5,14 0,67 в l 6,65 4,64 0,697 Фиг. 6 a D 9 2,607 0,289 б δ 7,783 2,845 0,365 в l 6,798 2,855 0,419 Фиг. 7 a D 9 5,253 0,583 б δ 7,734 4,782 0,618 в l 6,715 4,319 0,643 Примечание: в скобках (фиг. 1) указаны значения для нормального распределения. При этом распределение, близкое к нормально- му, приведенное на фигурах 2 и 6 табл. 3, характери- зуется меньшим разбросом и меньшим коэффициен- том вариации, что наблюдается на фотоэталонах ГОСТ 5639 (рис. 6) и в реальных структурах после скоростного нагрева (рис. 7). Сопоставительный анализ реальных разнозерни- стых структур, возникших в результате одновремен- ного протекания собирательной и вторичной рекри- сталлизации, и модельных разнозернистых структур свидетельствует о том, что коэффициент вариации зависит не только от размеров зерен, присутствую- щих в данном объеме, но и от их количества. Так, например, при одинаковом разбросе значе- ний по величине максимальный коэффициент вариа- ции наблюдается для структуры с большим количе- ством мелких зерен. Следует отметить, что разрабо- танная методика позволяет исследовать модели не ______________________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2004. № 3. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (85), с. 66-74. 74 только в форме шара или пентадодекаэдра, но и мо- дели другого типа и соответственно решать ряд во- просов стереологии. 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2 0,22 0,24 0,26 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 Рис. 6. Распределение размеров хорд, плоских сече- ний и объемных размеров для зерна седьмого номера (G7) фотообразца ГОСТ 5639 Рис. 7. Распределение размеров хорд, плоских сечений и объемных размеров зерен аустенита стали 08Х16Н15М3Б после скоростного нагрева Таким образом, полученные результаты указыва- ют на возможность прогнозирования получения той или иной структуры, что позволит более точно раз- рабатывать режимы термической обработки готовых холоднодеформированных труб специального на- значения, к которым предъявляют весьма жесткие требования по структуре и свойствам. ЛИТЕРАТУРА 1.М.Л. Бернштейн, В.А. Займовский. Структура и механические свойства металлов. М.: «Металлур- гия», 1970, 142 с. 2.С.С. Горелик. Рекристаллизация металлов и сплавов. М.: «Металлургия», 1978, 568 с. 3.С.А. Салтыков. Стереометрическая металлогра- фия. М.: «Металлургия», 1970, 376 с. 4.К.С. Чернявский. Стереология в металловедении. М.: «Металлургия», 1977, 280 с. 5.F.C. Hull, W.T. Houk. Transactions AIME //Journal of Metals. 1953, april, p. 565. 6.Е.Я. Лезинская. Исследоввания влияния условий нагрева на рекристаллизационные процессы при термообработке холоднодеформированных не- ржавеющих и жаропрочных сталей: Автореф. канд. дис. Днепропетровск, 1972. 7.Т.П. Даниленко. Оптимизация режимов термо- обработки особотонкостенных труб из аустенит- ных сталей на основе разработки нового метода определения параметров пространственной зерен- ной структуры: Автореф. канд. дис. Днепропет- ровск, 1988. 8.Т.П. Даниленко, Е.Я. Лезинская и др. Метод мо- делирования объемной структуры металлов и спла- вов при помощи ЭВМ //Тр. Всесоюзн. семинара "Внедрение современных методов контроля струк- туры и свойств металлопродукции". М., 1984, с. 14 – 15. ПРОБЛЕМА ОЦІНКИ ЯКОСТІ МЕТАЛА ТРУБ АКТИВНОЇ ЗОНИ АТОМНИХ РЕАКТОРІВ У ПРОЦЕСІ ДОРЕАКТОРНИХ ІСПИТІВ О.Я. Лезинська, Т.М. Буряк Виконано аналіз стандартних методів оцінки одного з основних показників якості металу – зерненої структури аустенітних сталей та сплавів на основі цирконію і титану, що використовуються як конструкційні матеріали активної зони атомних реакторів. Показано неудосконаленість стандартних методів оцінки розмірів зерна в реальних виробах. Запропоновано метод комп'ютерного моделювання зерненої структури труб-оболонок ТВЕЛ і ТВЗ при розробці режимів термічної обробки. PROBLEMS OF EVALUATION OF NUCLEAR REACTOR ACTIVE ZONE TUBES DURING PRE-IRRADIATION TESTS ______________________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2004. № 3. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (85), с. 66-74. 75 P (D) P (δ) общий D δ l КD=0,495 Кδ=0,533 Кl=0,560 E.J. Lesinskaya, T.N. Buriak An analysis of standard methods of graine size estimation of basic indexes of austenitic steel and alloys of active area of atomic reactors. It is shown insolvency of standard methods of grain size estimation in the real wares. The suggested method of computer simulation of structures of pipes-shells raperd for working aut of modes of heat treatment. ______________________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2004. № 3. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (85), с. 66-74. 76 проблемы оценки качества металла труб активной зоны атомных реакторов Е.Я. Лезинская, Т.Н. Буряк D (объем) D D D D D D ЛИТЕРАТУРА E.J. Lesinskaya, T.N. Buriak
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-79541
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	1562-6016
language	Russian
last_indexed	2025-12-02T04:50:00Z
publishDate	2004
publisher	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
record_format	dspace
spelling	Лезинская, Е.Я. Буряк, Т.Н. 2015-04-02T19:32:07Z 2015-04-02T19:32:07Z 2004 Проблемы оценки качества металла труб активной зоны атомных реакторов в процессе дореакторных испытаний / Е.Я. Лезинская, Т.Н. Буряк // Вопросы атомной науки и техники. — 2004. — № 3. — С. 66-74. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/79541 621.620.18:669.017 Проведен анализ стандартных методов оценки одного из основных показателей качества металла – зеренной структуры аустенитных сталей и сплавов на основе циркония и титана, применяемых в качестве конструкционных материалов активной зоны атомных реакторов. Показана несостоятельность стандартных методов оценки величины зерна в реальных изделиях. Предложен метод компьютерного моделирования зеренной структуры труб-оболочек ТВЭЛ и ТВС при разработке режимов термической обработки. Виконано аналіз стандартних методів оцінки одного з основних показників якості металу – зерненої структури аустенітних сталей та сплавів на основі цирконію і титану, що використовуються як конструкційні матеріали активної зони атомних реакторів. Показано неудосконаленість стандартних методів оцінки розмірів зерна в реальних виробах. Запропоновано метод комп'ютерного моделювання зерненої структури труб-оболонок ТВЕЛ і ТВЗ при розробці режимів термічної обробки. An analysis of standard methods of graine size estimation of basic indexes of austenitic steel and alloys of active area of atomic reactors. It is shown insolvency of standard methods of grain size estimation in the real wares. The suggested method of computer simulation of structures of pipes-shells raperd for working aut of modes of heat treatment. ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Материалы реакторов на тепловых нейтронах Проблемы оценки качества металла труб активной зоны атомных реакторов в процессе дореакторных испытаний Проблема оцінки якості метала труб активної зони атомних реакторів у процесі дореакторних іспитів Problems of evaluation of nuclear reactor active zone tubes during pre-irradiation tests Article published earlier
spellingShingle	Проблемы оценки качества металла труб активной зоны атомных реакторов в процессе дореакторных испытаний Лезинская, Е.Я. Буряк, Т.Н. Материалы реакторов на тепловых нейтронах
title	Проблемы оценки качества металла труб активной зоны атомных реакторов в процессе дореакторных испытаний
title_alt	Проблема оцінки якості метала труб активної зони атомних реакторів у процесі дореакторних іспитів Problems of evaluation of nuclear reactor active zone tubes during pre-irradiation tests
title_full	Проблемы оценки качества металла труб активной зоны атомных реакторов в процессе дореакторных испытаний
title_fullStr	Проблемы оценки качества металла труб активной зоны атомных реакторов в процессе дореакторных испытаний
title_full_unstemmed	Проблемы оценки качества металла труб активной зоны атомных реакторов в процессе дореакторных испытаний
title_short	Проблемы оценки качества металла труб активной зоны атомных реакторов в процессе дореакторных испытаний
title_sort	проблемы оценки качества металла труб активной зоны атомных реакторов в процессе дореакторных испытаний
topic	Материалы реакторов на тепловых нейтронах
topic_facet	Материалы реакторов на тепловых нейтронах
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/79541
work_keys_str_mv	AT lezinskaâeâ problemyocenkikačestvametallatrubaktivnoizonyatomnyhreaktorovvprocessedoreaktornyhispytanii AT burâktn problemyocenkikačestvametallatrubaktivnoizonyatomnyhreaktorovvprocessedoreaktornyhispytanii AT lezinskaâeâ problemaocínkiâkostímetalatrubaktivnoízoniatomnihreaktorívuprocesídoreaktornihíspitív AT burâktn problemaocínkiâkostímetalatrubaktivnoízoniatomnihreaktorívuprocesídoreaktornihíspitív AT lezinskaâeâ problemsofevaluationofnuclearreactoractivezonetubesduringpreirradiationtests AT burâktn problemsofevaluationofnuclearreactoractivezonetubesduringpreirradiationtests

Проблемы оценки качества металла труб активной зоны атомных реакторов в процессе дореакторных испытаний

Репозитарії

Схожі ресурси