Деформируемость и прочность труб из циркониевого сплава Zr - 2,5Nb при сложных нагружениях тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

... V ; 7 РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ институт ГИДРОДИНАМИКИ ИМ. М.А.ЛАВРЕНТЬЕВА

На правах рукописи УДК 539.374-539.4

Заводчиков Сергей Юрьевич

ДЕФОРМИРУЕМОСТЬ И ПРОЧНОСТЬ ТРУБ ИЗ ЦИРКОНИЕВОГО СПЛАВА 2т - 2, 5ЫЬ ПРИ СЛОЖНЫХ НАГРУЖЕНИЯХ

01.02.04. - механика деформируемого твердого

тела

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико - математических наук

Новосибирск 1995 г.

Работа выполнена на ПО«Чепецкий механический завод" и в Институте горного дела СО РАН

Научные руководители

академик Е.И. Шемякин, доктор физико-математических наук В.М.Жигалкин

Официальные оппоненты

доктор физико-математических наук Ю.Б. Зу^в, доктор физико-математических наук А.Ф . Никитенко

Ведущая организация

Всероссийский научно-исследовательский институт неорганических материалов им. А. А. Бочвара

Защита состоится 3Слла^ЫлЛ 1995г в // час ООмин. на заседании специализированного совета К 002.55.01 в Институте гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН по адресу 630090 , Новосибирск 90, проспект Лаврентьева, 15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН .

Отзыв на автореферат ( в 2-х экз.) .заверенный печатью , просим направлять в совет по адресу Института .

Автореферат разослан 2. ел^с/х^Ь^О 1995г.

Ученый секретарь специализированного совета, к.ф.-м.н. Ю. М. Волчков

Введение

Технический прогресс предъявляет все более высокие требования к механическим свойствам металлов и сплавов , к их способности противостоять механическим воздействиям в сложных физических условиях. Более настоятельным становится необходимость обоснования путей конструирования металлов с повышенными прочностными и деформационными свойствами .

В настоящее время проводятся исследования направленные на изыскания путей улучшения деформирования современных металлов и сплавов , создания методов расчета условий бездефектного деформирования , которые могли бы быть составной частью технологических расчетов. Основу таких расчетов составляют данные о пластичности металлов в зависимости от химического состава и структуры , температуры и скорости деформации, схемы напряженного состояния и предыстории деформирования с учетом геометрического фактора и влияния внешней среды.

Для расчетов и прогнозирования работы элементов конструкций в сложных физических условиях необходимы модели теории пластичности, надежно обоснованные результатами экспериментов. Классические теории пластичности , опирающиеся на представление об изотропном материале, применимы для простых нагружений и некоторых классов сложных нагружений, близких к простым. С другой стороны появились модели теории пластичности , которые не только удовлетворительно описывают поведение материалов при сложных нагружениях ,но и указывают пути повышения деформируемости , прочностных свойств металлов и сплавов.

Достаточно эффективного управления

деформируемостью металлов и сплавов можно добиться за счет существенного влияния на их пластичность истории сложного нагружения, сопровождающейся частичной разгрузкой в одних направлениях и прекращением роста пластических деформаций в этих направлениях , активным нагружением и ростом пластических деформаций в других направлениях . Это дает возможность создавать повышенную

ч

жесткость в одном или во всех направлениях и увеличивать предельные деформационно-прочностные свойства , более полно использовать имеющиеся резервы прочности и пластичности металлов.

Работа выполнена в соответствии с планами научных исследований: программой СО РАН « Научные основы конструирования новых материалов и создания перспективных технологий программой СО РАН « Механика. Научные основы машиностроения и надежности машин " , отраслевой программой « Совершенствование технологии изготовления канальных труб и труб СУЗ с целью повышения надежности, качества и увеличения ресурса эксплуатациитематикой хоздоговорных работ.

Цель работы

1. Исследования возможности повышения сопротивления труб из циркониевых сплавов 2г - 1,0 МЬ , Тх - 2,5 ЫЬ пластическому деформированию и увеличения их предельных деформационно-прочностных свойств в одном из главных направлений тензора деформаций при сложных нагружениях , по сравнению с аналогичными при простом нагружении.

2. Разработка технологии изготовления циркониевых труб технологических каналов атомных реакторов РБМК, обладающих повышенной деформируемостью и прочностью.

3. Исследования технологических свойств труб из циркониевых сплавов, полученных по усовершенствованной технологии выдавливания , применительно к требованиям предъявляемым к элементам конструкций атомных реакторов.

Научная новизна.

1.Изучено поведение циркониевых сплавов гм.омэ, 2г-2,51ЧЬ при активных нагружениях и сложных нагружениях сопровождаемых частичными разгрузками в одних направлениях и активными нагружениями в других направлениях.

2. Показана возможность реального увеличения степени деформации и прочностных свойств материала за счет сложного нагружения.

3. Разработана технологическая схема горячего выдавливания циркониевых сплавов с использованием схемы нагружения приводящей к деформированию в состоянии неполной пластичности.

----------4. Впервые в промышленности получена опытная

партия канальных труб обладающая повышенными прочностными и деформационными свойствами в окружном направлении, однородными структурным состоянием и механическими свойствами подлине и сечению труб.

Достоверность выводов и результатов, полученных в работе, обоснована корректным применением теоретических и экспериментальных методов механики деформируемого твердого тела, использованием современных методик экспериментальных исследований, сопоставлением с экспериментальными данными других авторов .

На защиту выносятся:

1. Результаты экспериментальных исследований свойств труб из циркониевых сплавов при простом и сложном нагружении.

2. Анализ полученных лабораторных результатов, с целью применения их в технологических процессах изготовления канальных труб для атомных реакторов .

3. Новые элементы технологического процесса изготовления труб, позволяющие реализовать в промышленных условиях разработанный процесс направленного деформационного воздействия .

4. Результаты лабораторных исследований циркониевых

труб, полученных с применением процесса направленного деформационного воздействия .

Практическая ценность.

Впервые получена в промышленных условиях возможность управления механическими свойствами материала в процессе его обработки давлением. Разработан технологический инструмент для данного процесса.

Реализация результатов работы.

Усовершенствован технологический процесс выдавливания . труб из сплава 2.x- 2,5 №Ь в основу которого заложен способ упрочнения с применением сложного нагружения. Изготовлена опытная партия труб. Заводские и лабораторные испытания показали высокую однородность механических и деформационных свойств сплава .

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 3 работы и получено 1 авторское свидетельство.

Структура и объем работы.

Работа состоит из введения, двух глав, выводов к главам, заключения, списка литературы, приложения. Объем работы 148 страниц , в том числе 47 рисунков, 12 таблиц. Список литературы составляет 92 наименования .

Содержание работы.

Во введении сформулированы актуальность проблемы, цель и основные задачи исследования, обоснованы их научная и практическая значимость, перечислены основные результаты составляющие научную новизну работы и положения выносимые на защиту.

Разбираются теоретические работы, имеющие прямое отношение к данной диссертации. Из современных направлений выделен вариант теории пластичности, предложенный С.А.Христиановичем и Е.И.Шемякиным, в котором большое внимание уделяется анизотропии пластического состояния, предлагается механизм пластического деформирования материалов, в котором пластическая деформация представляется в виде последовательности сдвигов на площадках скольжения в материале, на которых действуют главные касательные напряжения.

Первая глава посвящена исследованию и анализу поведения труб циркониевого сплава 2л - 1,0 ЫЬ в лабораторных условиях при простых и сложных нагружениях.Исследуются закономерности нагружения

упругопластического материала с упрочнением в пространственном случае. Рассматриваются классы нагружений, при которых главные направления тензоров напряжений и деформаций совпадают. Исследования проведены в__ рамках варианта теории пластичности анизотропно упрочняющейся среды .

В 1.1.излагается вариант модели теории пластичности анизотропно упрочняющейся среды, основанной на механической схеме деформирования С.А.Христиановича и предположении об ортогональной анизотропии пластического состояния в форме Е.И.Шемякина.

Рассмотрено напряженно-деформированное состояние элемента, в исходном, ненагруженном состоянии, материал является однородным и изотропным. Главные напряжения и соответствующие главные деформации, характеризующие достигнутое напряженно-деформированное состояние, подчинены неравенствам

<7. > (Уз > СГз, Si > S2 > 8з (1)

Главные касательные напряжения 2Т=2Тчз =(7i Оз,

2T12=G.-G2, 2Тгз = (У 2 (Уз ( T=Ti2 + Тгз) связаны параметром Лоде JlIo :

T|Llo=T23—Ti2=G2 ( 2 )

Для приращения касательных напряжений 2aT=aCTi—д(Уз,

2aTi2=AO"i—AOl , 2AT23=AG2-Д(Уз ВВОДИТСЯ

параметр вида догружений j_l д сг:

_/

AT Ц лег = дТгз - A Ti2= ДС2 ( 3 )

Сдвиги Г=Пз= 81-83 , I 12 — 81 -82 , Ггз = 82-83.

В основе теории лежит введение анизотропии сопротивления сдвигам, развивающейся вместе с пластическими деформациями. Для описания анизотропии

элемента введена модель ортотропной среды с четырьмя мгновенными модулями, один из модулей совпадает с модулем объемного сжатия, три характеризуют сопротивление сдвигу на трех системах площадок скольжения, каждая из систем проходит через соответствующее главное направление. Пластические деформации связаны только по площадкам действия касательных напряжений Т , Т12 , Тгз называемых площадками скольжения.

Приращения сдвигов дГ=д81 Д8з, ДГ1г=Д81—Д82,

ДГ2з=Дб2—Л£з на площадках скольжения Т, Т12, Тгз связаны с приращениями касательных напряжений лТ, дТ гз , ДТ12 следующими зависимостями :

ДГ = ДТ/G +( лСЬ/з) (I/G23 -I/G12 + А),

/

ДГ12 = ДТ12/ G12 +[(ЗДТ+ Д О2 )/6](1/G-1/G23+A), ( 4 )

ДГ23 = AÏ23/G23 + [(3 Д Т- дОг )/6 ]( 1/G - I/G12 - А ),

да =к д8 ,

где G , G12 , G23 , К- модули сдвигов на площадках скольжения и объемного сжатия , вид А определяется в зависимости от напряженно-деформированного состояния элемента в момент догружения и направления догружения ,

зда=дсг1+да2+даз. as=8i + 82 + £з, к= const.

Произвольное догружение дО" i ( ¡=1,2,3) представлено в виде

0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0

о àGi о = AGn 0 1 0 + Д Т 0 0 0 + д(Ь 0 1 0 ¡5)

о о дОЧ 0 0 1 0 0 1 0 0 0

__ _ _ / _

где гдСТл^С^ + дОз , д(Т2 = дСТг- д(Уп.

Особый смысл приобретают второй и третий тензоры в правой части (5), связанные с действием касательных напряжений на площадках скольжения . Если приложение напряжения Т вызывает пластические деформации в первом и третьем главных направлениях и упругую во втором

_/

главном направлении, то действие напряжения (Т2 может вызвать как упругие, так и пластические деформации во втором главном направлении.

Существенными понятиями настоящего подхода являются деформированные состояния неполной и полной пластичности. В состоянии неполной пластичности пластические скольжения происходят по площадкам действия максимального касательного напряжения Т. Тогда прямоугольный параллелепипед , вырезанный из тела площадками главного сдвига , будет реально ослаблен только по своим боковым поверхностям. А вдоль оси, параллельной боковым поверхностям,элемент деформируется упруго.

При дальнейших нагружениях дополнительно к скольжениям на площадках главного сдвига могут появиться и развиться скольжения на других площадках. Элемент деформируется в состоянии полной пластичности, в этом случае материал раздроблен на блоки двумя системами площадок скольжения.

В 1.2 приведена методика экспериментальных исследований, включающая способы и средства нагружения образцов,измерения возникающих в них деформаций и обработки результатов испытаний. Описана испытательная установка СН-10, на которой проведены эксперименты, требования предъявляемые к образцам, представляющим собой тонкостенные трубки.

По результатам испытаний для каждого образца строили

диаграммы деформирования 0"г=<72(82), (Тер =(Тф (£<р) ( индексами г , ф обозначены осевое и окружное главные направления).

В 1.3. представлены результаты экспериментальных исследований циркониевого сплава Ъх - 1,0 № при простых нагружениях. Исследования при простых нагружениях приведены для двухосного растяжения с целью выявления исходных характеристик сплава , резервов прочности и

пластичности. В качестве испытательных образцов использованы серийно изготовленные оболочечные трубы 13,58 х 11,70 мм , назначение которых приведено в 2.1. Образцы представляли собой тонкостенные цилиндры длинной 170мм. Траектории нагружения задавались в пространстве главных напряжений , скорость нагружений

ОГ=0,2 МПа/с. Данные опытов при простых нагружениях указывают на исходную анизотропию сплава,являющуюся следствием технологии изготовления труб. Исходная анизотропия сплава заключается в различной сопротивляемости и разномодульности в осевом и окружном направлениях при деформировании с постоянным

отношением главных напряжений. Используя различные

р р

допуски на остаточную пластическую деформацию 61(81-величина наибольшей главной пластической деформации), построены начальные кривые текучести при двухосном растяжении при простых нагружениях. Пределы теку-чести

Р

сплава по допуску 0,2% о 1 оказались равны : 0,г=233,5МПа - при осевом растяжении (Цда=-1), 317,0МПа -при двухосном растяжении СУ г = 2(7<р ( Цда=0), (Тг=294,4МПа, СГср = 400, 2 МПа - СТг = СТф ( Цда=1 ) , (Т<р=410,0 МПа - Оф = 20г ( |Л,да=0).

В 1.4. представлены результаты экспериментальных исследований циркониевого сплава Ъх- 1,0% 1\1Ь при сложных нагружениях . Как известно пластическая деформация является результатом сдвигов в плоскостях близких к плоскостям скольжения Т, Т12 , Тгз . Поэтому в материале существуют направления и виды догружений из заданного напряженного состояния , при которых происходит упругое деформирование в этих направлениях и пластическое деформирование в других направлениях. Использование направлений повышенной жесткости позволяет увеличить

прочность материала , как элемента конструкции , в пластическом состоянии, при этом сохранив или увеличив предельную деформацию в одном или нескольких направлениях.

Требуемое изменение прочностных и деформационных свойств материала можно реализовать направленным деформационным упрочнением при сложном нагружении , с постоянным значением максимального касательного напряжения Т =сопз1, сопровождающимся активными нагружениями на плоскостях скольжения Т ,Тгз (или Т12) и частичной разгрузкой с прекращением роста пластических сдвигов в направлениях Т12 (или Тгз). Предварительная пластическая деформация, является результатом сдвигов на одной или двух площадках скольжения Т , Т12 (или Тгз) , может быть достигнута в процессе простого нагружения. Рассмотрим данные одного из экспериментов на рис.1, приводящие к реальному увеличению прочностных свойств циркониевого сплава в осевом направлении и некоторому увеличению предельных деформаций в осевом и окружном направлениях.

На рис.1 представлены диаграммы деформирования образцов из сплава 2г- 1,0% ЫЬ при нагружении по следующей программе.

Осевым растяжением на участке ОА траектории нагружения образец был выведен в пластическое состояние - состояние полной пластичности . Скольжения происходят в направлении Т и Т12 , причем Т = Т12. Затем в точке А произведен резкий излом траектории и последующий выход на участок АВ траектории , угол излома равен 120 градусам на девиаторной плоскости А.А.Ильюшина . На участке АВ сохраняется постоянным значение осевого напряжения, равное

напряжению (Уг(А) в точке А излома траектории, т.е. Сг^СУг{А). Сложное нагружение сопровождается

увеличением окружного напряжения СУ 9 > 0, изменением

вида напряженного состояния. В конце участка АВ значение окружного напряжения значительно превышает значение

для циркониевого сплава гм.смь при сложном нагружении.

напряжения СУг(А), при этом , в направлении предварительного пластического деформирования Т12 , происходит частичная разгрузка с прекращением роста пластических сдвигов в этом направлении. Площадки

скольжения Т23 . при нагружении (7ф>(7г(А), становятся площадками главного сдвига. В точке В произведен вновь резкий излом траектории нагружения и выход на участок ВА возвратного нагружения. В точке А - излом траектории' нагружения на 90 градусов в девиаторной плоскости А.А.Ильюшина. На участке АС - двухосное растяжение

даФ=2дСТг .значение параметра вида нагружения Цда=3 . В точке С в момент, предшествующий разрушению , проведена разгрузка образца.

Данные испытаний при догружениях на участке АС свидетельствуют о следующем. Догружения последовательно вызывают деформированные состояния:

упругое деформирование, которое заменяется деформированием в состоянии, аналогичном неполной пластичности, при значении осевого напряжения

0*2=0,9бО"ф(В) (Оф(В)-величина окружного напряжения в точке В излома траектории в момент приложения возвратного догружения ), на графиках границе состояний отвечает точка К;

- неполной пластичности , пока напряжение С < СГф(В), на

графиках границе состояний неполной и полной пластичности соответствует точка К;

- полной пластичности - при превышении напряжением (Тф

5

значенияСф(В). Предел текучести Ог на участке АС кривой

р

определенный по допуску 0,2% 81 превышает начальное значение О г в 2,02 раза , это значение выше

предела прочности сплава при простом нагружении ( Oz >0 ) в 1,6 раза.

Предельные значения : напряжение (7z превышает предел прочности при осевом растяжении в 1,41 раза, напряжение

(Уф выше предела прочности при осевом растяжении в 1.46

раза; деформации 8z ,8ф ,в момент предшествующий разрушению образца, выше аналогичных при простом нагружении.

По данным исследования следует вывод о том, что в первоначально анизотропном и разномодульном материале, при простом и последующем сложном нагружении, с постоянным значением первого главного напряжения и превышении второго главного напряжения над первым, возвратное движение по траектории предварительного нагружения и последующее повторное сложное нагружение приводят ,как и в исследованиях В.М.Жигалкина для сталей, меди , титана , к изменению свойств, характерных изотропно -упрочненному материалу.

Приведенные результаты экспериментального исследования трансформации фронтальной части поверхности нагружения для трех серий повторных простых и сложных нагружений , после предварительного сложного нагружения по траектории , первый участок которой представлял осевое растяжение, второй - ортогональное нагружение в плоскости главных напряжений , с превышением вторым главным напряжением значения первого главного напряжения в точке излома. В двух сериях выполнены повторные лучевые нагружения после двух типов разгрузки: полной разгрузки по прямой в нулевое напряженное состояние; полной разгрузке по траектории предварительного нагружения . В третьей серии осуществлялось возвратное движение по траектории сложного нагружения Т = const в точку излома траектории нагружения, последующие повторные нагружения осуществлялись по прямым при

различных JJ.ACT=const , с изменением вида напряженного состояния.

Показано, что форма поверхности нагружения существенно определяется видом напряженного состояния в

начальный момент повторного нагружения . направлением-------

этого нагружения и историей разгрузки. Дан анализ формы поверхностей нагружения .построенных в различных сериях и объяснено их различие с позиций теории пластичности анизотропно- упрочняющейся среды , основанной на сдвиговом механизме деформирования.

Анизотропные проявления неупругих свойств , как результат сложного нагружения T=const , сопровождаемого частичной разгрузкой с упрочнением в направлении предварительного пластического деформирования Т12 и активными нагружениями в других направлениях, позволяют наиболее полно использовать имеющиеся резервы прочности и пластичности . В зависимости от вида напряженного состояния и направления догружения установлены направления с повышенными прочностными характеристиками .

Эти эффекты сложного нагружения могут быть использованы в качестве технологического приема управления анизотропией свойств металла трубчатых элементов конструкций атомных реакторов и создания в них заданных прочностных и деформационных свойств.

Изучение процессов упруго - пластического деформирования при сложных нагружениях , сопровождаемых частичной разгрузкой с упрочнением в одном из направлений предварительного пластического деформирования и активными нагружениями с дальнейшим ростом пластических деформаций в других направлениях, позволило разработать процесс направленного деформационного воздействия (ПНДВ). Результаты применения ПНДВ при производстве канальных труб приведены во второй главе диссертации .

Вторая глава работы посвящена изучению процесса изготовления канальных труб атомных реакторов. Применению полученных в главе 1 результатов для решения

i п

практических технологических задач. Исследованию свойств циркониевых труб полученных по усовершенствованной технологии.

В 2.1.приводятся краткий обзор и анализ существующих проблем изготовления и эксплуатации циркониевых труб технологических каналов ядерных реакторов типа РБМК. Основное функциональное назначение топливных каналов, или как далее , технологических каналов ( ТК ) - размещение тепловыделяющих сборок (TBC) с ядерным топливом и организация потока теплоносителя . TBC состоят из двух частей - нижней и верхней , каждая из которых содержит 18 тепловыделяющих элементов ( ТВЭЛов) стержневого типа из таблеток спеченной двуокиси урана , заключенных в оболочку из циркониевого сплава Zr - 1,0 Nb . Размер оболочечной трубы ТВЭЛа 13,58 х 11 ,7 мм. Средняя часть ТК представляет собой трубу из циркониевого сплава Zr - 2,5 Nb наружным диаметром 88 мм и толщиной стенки 4 мм. Из условий эксплуатации реактора следует , что трубы ТК подвергаются :

- длительному воздействию напряжений .обусловленных давлением теплоносителя;

- длительному коррозионному воздействию теплоносителя (вода и пароводяная смесь);

- облучению потоком нейтронов .обуславливающему изменение структуры и физико - . механических свойств материалов.

Проведенная оценка состояния циркониевых труб технологических каналов эксплуатируемых реакторов проработавших более 13 лет показывает , что условия эксплуатации привели к тому, что на трубах имеет место : заметное коррозионное поражения внутренней поверхности , значительное снижение сопротивления ползучести в окружном направлении , падение пластичности металл^. Кроме этого были выявлены случаи разгерметизации ТК по циркониевым трубам (26 случаев из примерно 20 тыс . труб). Разгерметизация была обусловлена образованием сквозных трещин вследствии замедленного гидридного растрескивания.

Данные отклонения привели к поискам путей производства таких канальных труб , которые бы обеспечили нормальную эксплуатацию и безопасность АЭС . Аналогичные проблемы встали и перед ядерной энергетикой Канады , эксплуатирующей ядерные реакторы канального типа-САШи " , США - для реактора типа - N " .

В 2.2 приводится расчет, конструирование, инженерный анализ , управляющая программа для процесса изготовления прессового инструмента , применяемого при реализации сложного напряженного состояния, апробированного в лабораторных исследованиях, результаты которых изложены в главе 1.

При расчете и конструировании прессового инструмента учитывались:

- недостатки процесса прямого выдавливания ( преимущественная ориентация зерен вдоль оси выдавливания -приводит к анизотропии свойств в продольном и поперечном направлении ; неустановившийся процесс истечения металла вначале и конце выдавливания - приводит к неоднородности структуры труб и механических свойств ,что прослеживается до труб готового размера ) ;

- особенности выдавливания циркониевого сплава налипание циркония на прессовый инструмент.

На рис. 2 приведена принципиальная конструкция разработанной матрицы. Профиль матрицы образован сложными конусными поверхностями двойной кривизны. Матрица обеспечивает создание заданного сложного напряженного состояния при процессе горячего выдавливания циркониевых труб. Созданное деформированное состояние - состояние чистого сдвига, полученное при сложном нагружении в условиях объемного напряженного состояния.

В 2.3.изложен процесс выдавливания циркониевых труб с применением спроектированного прессового инструмента.

Сущность данного способа заключается в совмещении идущих один за другим трех процессов : -образованием полости в заготовке прошивнем -получение стакана;

Рис. З.Матрица для прямого выдавливания.

-пробивка прошивнем дна стакана;

-получение трубной заготовки ( гильзы ) выдавливанием совмещенным с кручением.

При выдавливании штатной гильзы использовалась матрица изображенная на рис. 3 , для ПНДВ- на рис. 2 .За счет расположенных на конусной части разработанной матрицы «лепестков" происходит деформация заготовки - стакана по диаметру и стенке , с одновременным кручением потока металла под углом к оси выдавливания . После операции выдавливания был замерен угол закручивания образующей переднего конца гильзы, соответствующего началу процесса , относительно заднего конца , угол составил 217 градусов на длину гильзы 3705 мм . Дальнейшая обработка гильз , как штатного исполнения , так и выдавленных с кручением,проводилась согласно технологии производства . За исключением проведения операции окончательной термообработки , когда были изготовлены , из нескольких труб с ПНДВ .трубы с полностью рекристаллизованным структурным состоянием. Результаты исследований свойств выдавленных гильз и полученных из них готовых труб для технологических каналов приведены в 2 .4 ., 2 .5., 2.6. , 2.7. , 2.8.

В 2.4. изучены деформационные свойства циркониевого сплава гг-2,5№ при плоском напряженном состоянии и влияние на них способа выдавливания Проведено сопоставление механических свойств канальных труб .полученных с применением процесса направленного деформационного воздействия ( ПНДВ ), в основу которого заложен способ горячего выдавливания труб с использованием инструмента по 2.2. , с трубами изготовленными по существующей технологии .

Подробно изучено влияние предварительного простого

нагружения (У г >0,Оф = 0и сложного нагружения с постоянным значением максимального касательного напряжения Т=сопз1, возвратного нагружения Т=сопз1 на характер упрочнения сплава при последующем сложном нагружении из состояния осевого растяжения и постоянном

значении параметра вида догружения }!да=3. Результаты опытов подтверждают выводы главы 1 об увеличении предельных прочностных и деформационных характеристик сплава.

Последний вывод проиллюстрирован на рис.4 данными опыта испытаний образцов при одноосном и двухосном растяжении . На рисунке представлены точки кривых при различных

значениях отношения главных напряжений К=СТг/СУф , К=0,5 , К= со . в качестве испытательных образцов использованы тонкостенные трубы, изготовленные из заготовок толстостенных гильз, полученных методом горячего выдавливания по существующей на объединении штатной технологии ( 9210, 9213, 9219, 9220, 9212 ) и полученных с применением ПНДВ (921, 922).

Расположение точек кривых (Уг—СУг^г) , (Уф =СГф (Вф)

при 2(Уг=(Уф (чистый сдвиг с наложенным гидростатическим давлением), как для труб штатного исполнения, так и для труб полученных с использованием ПНДВ, сосредоточено в узком интервале . Однако , точки

кривых Сф =Сф (Вф ) для образцов труб штатного

исполнения расположены ниже аналогичных точек серии

образцов труб полученных с применением ПНДВ (значение

— Б —Э

пределов текучести Оо,2 = 385 МПа , Оо,2 = 425 МПа -

соответственно ). Точки кривых <7г=0-2(8г) при 02>О ,

СГф =0 ( осевое растяжение ) свидетельствуют о наличии значительной анизотропии труб полученных по штатной технологии , отклонение точек кривых составляет до 150МПа, имеется различие в значении предела текучести .

Данные исследований свидетельствуют о существенном влиянии технологии выдавливания на свойства труб. Выдавливание с применением ПНДВ изменяет исходную анизотропию сплава с некоторым, до 10%, увеличением

■■о

600 500

№

То А

300 »■ г А

о

200; ГА

1 г

100 <

50В; Ш 300 200

О 1 2

(3„ ( МПс)

/ Г** * а г +

Л Т

т

д

62(%1

• 92^0 Сг >0

о 9213

А 9219

▼ 9220

+ 92/2 (Г?

Д в« =

7 922

Ч Г

▼

о

А

Рис. 4. Диаграммы деформирования О^О^Вг^СУф-Оф^ф).

прочностных характеристик сплава в окружном направлении, с сохранением прочностных и

деформационных характеристик в осевом направлении.

Рассмотрены данные испытаний при осевом растяжении образцов изготовленных из труб готового размера. Механические свойства образцов труб, изготовленных с применением ПНДВ не зависят от участков, расположенных в начале, в середине и в конце процесса выдавливания. Механические свойства труб, изготовленных по штатной технологии, существенно зависят от указанных участков. Направленная деформация при выдавливании оказывает существенное влияние на характеристики металла при его последующем упруго-пластическом деформировании.

В 2.5. металлографические исследования , проведенные на материале труб после выдавливания, на промежуточных размерах, готовом размере свидетельствуют, что структурное состояние труб полученных выдавливанием с ПНДВ на всех технологических переделах отличается от обычных труб большей однородностью по длине и сечению . Данный вывод проиллюстрирован на рис.5 . Макро и микроструктура трубы Е 2285, полученной с применением ПНДВ , мелкозернистая , дисперсная , в отличии от структуры трубы Е2237 полученной по штатной технологии прямого выдавливания , где структура начала выдавливания пластинчатого типа, а конца -дисперсная.

Помимо металлографического анализа структуры проведен, на основных переделах, сравнительный анализ твердости труб с ПНДВ, с обычной продукцией. Уровень твердости выдавленных и прокатанных труб находится на уровне твердости обычных труб.

В 2.6. на основании рентгенографического исследования текстуры, проведенного по методу обратных полюсных фигур, установлена тенденция увеличения значений текстурного параметра 9 в образцах опытных труб после выдавливания, по сравнению с обычными, что показывает на смещение текстурных максимумов к тангенцальному направлению и может свидетельствовать о более сильной проработке

материала опытных труб. При этом опытные трубы по

??

£2237

а £2285

Рис. б.Макро- и микроструктуры труб (Е2237-прямое выдавливав Е2285-Выдавливание с кручением)

а)начало процесса выдавливания, в)конец процесса выдавливания.

П

длине характеризуются наименьшей величиной разброса текстурного параметра, по сравнению с трубами полученными по обычной технологии, что может свидетельствовать о проявлении устойчивости текстуры по длине опытных труб независимо от положения ее в гильзе при выдавливании(начало,середина,конец трубы) в сравнении с обычными трубами, где имеется заметное отличие текстуры для участков труб, соответствующих началу и концу выдавливания.

Остаточные напряжения в трубах оценивались по упрощенному методу Давиденкова. Исследования позволили сделать следующие выводы:

- остаточные напряжения во всех трубах незначительны по величине и не превышают 12,7 МПа ;

- уровень напряжений по длине, труб достаточно равномерный и аналогичен по величине остаточным напряжениям в обычных канальных трубах.

Механические свойства исследуемых труб, приведенные в 2.7. , хара-ктеризуются высокой стабильностью значений по длине и сечению. На готовом размере разброс прочностных характеристик труб составляет 12 -13 МПа , пластичности -1,2% ( против 40-90 МПа по прочности и 6-8% по пластичности для обычных труб ). Предел прочности в окружном направлении выдавленных с применением ПНЙВ труб в 1,4 раза выше, чем у труб полученных прямым выдавливанием.

В 2.8. проведено определение коэффициента ориентации гидридов в трубах.

Оценка морфологии гидридов в трубах проводилась металлографическим методом путем визуального определения по контрольной шкале коэффициента ориентации гидридов ( Fn ) в поперечном направлении на предварительно наводороженных образцах. В результате анализа следует , что все исследуемые образцы имеют тангенциальную ориентацию гидридов , при этом у большинства труб ориентация гидридных выделений на всей толщине стенки одинакова.

Проведенные в главе 2 исследования труб полученных с применением процесса ПНДВ позволяют сделать следующие выводы:

-сложное нагружение вызывает увеличение прочностных и деформационных характеристик;

-конструкция прессового инструмента при горячем выдавливании создает условия при которых материал трубы становится однородным по физико-механическим свойствам , независимо от последующей его обработки давлением ; -увеличение предельной деформации определяет последующее повышение ресурса пластичности и технологических возможностей сплава Zr- 2,5 Nb при горячем и холодном деформировании.

В Заключении изложены основные результаты и выводы работы , которые заключаются в следующем.

1. Проведены экспериментальные исследования упругопластических свойств труб из циркониевых сплавов Zr -1,0 Nb , Zr - 2,5 Nb при плоском напряженном состоянии и неподвижных главных направлениях тензора напряжений в условиях комнатной температуры:

- доказано существование в материале направлений и видов догружений ,при которых осуществляется упругое изменение деформации за пределом текучести . Такие состояния возникают при углах излома , равных или превышающих 90 градусов в девиаторной плоскости A.A. Ильюшина ;

- найдена граница перехода из упругого состояния в состояние неполной пластичности и граница состояний неполной и полной пластичности ;

- указана траектория предварительного сложного нагружения, приводящая к ¡овышению предельных прочностных и деформационных свойств материала в одном из главных направлений тензора деформаций по сравнению с аналогичным при простом нагружении . Подробно изучено упрочнение материала при сложном нагружении с постоянным значением максимального касательного напряжения и превышением второго главного напряжения над первым, при различных историях разгрузки и последующих повторных простых или сложных нагружениях.

Простое и сложное нагружение, с постоянным значением максимального касательного напряжения и превышением второго главного напряжения над первым , возвратное движение по траектории предварительного нагружения и последующее повторное простое нагружение приводят к изменению свойств , характерных изотропно- упрочненному материалу.

Эти эффекты использованы в качестве технологического приема управления анизотропией металла циркониевых труб и создания в них заданных прочностных и деформационных свойств.

2, Получено техническое решение технологической задачи о реализации сложного нагружения, сопровождаемого частичной разгрузкой с упрочнением в одном из направлений предварительного пластического деформирования , для создания в циркониевых трубах заданных прочностных и деформационных свойств.

Создан математический аппарат для расчета и конструирования прессового инструмента позволяющего реализовать процесс направленного деформационного воздействия.

Выпущена опытная партия циркониевых труб для технологических каналов атомных реакторов РБМК .

3. Проведены лабораторные исследования материала труб полученных в результате применения усовершенствованной технологии выдавливания.Установлено повышение прочностных свойств труб в окружном направлении в 1,4 раза, по сравнению с трубами полученными традиционным способом прямого выдавливания. Показано , что трубы полученные с применением ПНДВ имеют более однородное структурное состояние, текстуру по длине и сечению, равномерные механические свойства по длине труб, по сравнению с трубами штатного исполнения.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. В. М .Жигапкин, Ю. П. Шевнин ,С.Ю. Заводчиков.Отчет по теме : "Совершэнствование технологии изготовления канальных труб и труб СУЗ с целью повышения надежности качества и увеличения ресурса эксплуатации ПО ЧМЗ Исх. 407-30/558 от 21.12.92.

2 .Н. В . Кузьменко , Ю . П . Шевнин , И . Н . Вдовенко , С. Ю. Заводчиков. Отчет по теме :« Исследование изделий из сплавов циркония и методов контроля с целью стабилизации , повышения их качества и работоспособности в условиях эксплуатации. Исследование наследственной зернограничной неоднородности в канальных трубах из сплава 1г -2,5 ЫЬ и изучение ее влияния на уровень механических свойств и остаточных напряжений".

ПО ЧМЗ Исх . 407 - 158 от10 ,06.£8.

3 .А. з .92 - 012959 от 02 . 09. 91 , решение о выдаче патента от 15. 02. 94 г. «Способ обработки труб из циркониевых сплавов " Н. В . Кузьменко , Ю . П . Шевнин ,

И . Н. Вдовенко , А . Н . Семенов, С. Ю.Заводчиков, В . А .Маркелов, В . М . Григорьев , С . П . Лукина .

4.А.В.Никулина, Б.Г.Парфенов, Б.С.Радченков,

Н.В.Кузьменко, Ю.П.Шевнин, В.М.Григорьев, П.В.Шебалдов, Л.Е. Агеенкова, С.П.Лукина, С.Ю.Заводчиков, И.Н.Вдовенко. Отчет по теме »Результаты материаловедческих исследований по стабилизации структуры и свойств труб каналов СУЗ РБМК из сплава Ъх -2,5№". Номер государственной регистрации 531.49.17.19.1540. 1991г.

Подписано к печати 21.02.1995г.

Формат 60x84/16. Объем 3 п.л. Заказ 54. Тираж 100.

ПО "ЧМЗ"