Локализация пластической деформации в сплавах на основе циркония тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Введение.

1. Цирконий, его сплавы и их пластическая деформация.

1.1 Промышленные циркониевые сплавы и технологии их обработки давлением.

1.2 Характеристики циркония и сплавов на его основе.

1.3 Механизмы пластической деформации циркония.

1.4 Промышленные сплавы циркония.

1.5 Проблемы пластичности при производстве труб из сплавов циркония.

1.6 Современные взгляды на пластичность материалов.

1.7 Автоволновая модель пластичности.

1.8 Постановка задачи. 40 2 Методика эксперимента и материалы для исследования.

2.1 Механические испытания.

2.2 Физические основы и техническая реализация спекл-интерферометрической методики.

2.3 Анализ остаточных напряжений.

2.4 Исследование структуры материала.

2.5 Материалы исследования.

3. Пластическое течение циркониевых сплавов.

3.1 Механические свойства и структура промышленных циркониевых сплавов Э125 и Э635.

3.2 Локализация деформации в промышленных циркониевых сплавах.

4. Анализ пластичности материала при прокатке труб из сплава Э635 на стане ХПТ-55.

4.1 Холодная прокатка сплава Э635 на стане ХПТ.

4.2 Механическое поведение материала из различных зон очага деформации

4.3 Анализ очага деформации 86 5. Локализация деформации и масштабный эффект

5.1 Масштабный эффект при локализации деформации в цирконий-ниобиевом сплаве Э

5.2 Методика спектрального оценивания периодических распределений методом максимальной энтропии

5.3 Спектры распределений

5.4 О природе масштабного эффекта 114 Заключение 119 Основные выводы 120 Список литературы 121 Приложение

В настоящее время значительная, а в некоторых странах уже большая часть электроэнергии вырабатывается на атомных электростанциях. В связи со стремлением увеличить экономичность и конкурентоспособность АЭС, а также повысить надежность и безаварийность ядерных установок появилась тенденция к увеличению глубины выгорания топлива (окиси урана) в тепловыделяющих элементах (твэлах) ядерных реакторов [1-3]. Серьёзные проблемы, связанные с утилизацией ядерных отходов, являются еще одним аргументом в пользу данной тенденции. В связи с этим возникла необходимость в твэлах, способных работать в условиях повышенного выгорания топлива до 60.70 ГВтсут/ти на "горячих" АЭС [4]. Возможности интенсификации режимов эксплуатации активной зоны ядерных реакторов в значительной степени определяются прочностью используемых материалов, среди которых важную роль играют материалы для оболочек твэлов. Жесткие требования, предъявляемые к этим мате-^чалам, определяют программу поисков новых составов и режимов изготовления оболочечных труб. Совершенствование конструкции и эксплуатационных параметров твэлов возможно за счет разработки новых сплавов, обладающих значительно большей долговечностью, или оптимизации технологии обработки существующих сплавов, в частности, технологии прокатки оболочечных труб. В этом случае резко повышаются требования к пластичности металлов и сплавов на разных стадиях изготовления, и возникает проблема точной оценки запаса пластичности. Учитывая высокую стоимость промышленных сплавов для оболочек твэлов, эти мероприятия становятся решающими на стадии изготовления трубы.

Сказанное определяет актуальность исследования, предпринятого в настоящей работе. Она посвящена изучению механических свойств и деформируемости промышленных циркониевых сплавов, широко используемых в ядерной энергетике, и определению запаса пластичности материала в многостадийном процессе изготовления труб. Современное производство таких труб, осуществляемое в России на ОАО "Чепецкий механический завод" (г. Глазов, Республика Удмуртия) в настоящее время модернизируется, причем целью этого процесса является придание основной продукции конкурентоспособности на мировых рынках.

Основной целью выполненного исследования является выяснение закономерностей неоднородности пластического течения в промышленных сплавах Э625 и Э125 на основе циркония, предназначенных для изготовления ответственных деталей рабочей зоны ядерных реакторов типа РБМК и ВВЭР. Поэтапное достижение указанной цели потребовало также решения ряда частных задач, главными из которых являются:

1. Выяснение закономерностей локализации деформации в указанных сплавах в условиях одноосного растяжения и сравнение полученных данных с ранее установленными для ГЦК и ОЦК материалов закономерностями.

2. Исследование характера локализации пластического течения в образцах, изготовленных из полуфабрикатов труб с исходно неоднородной деформационной структурой с целью оценки запаса пластичности и пригодности материала к дальнейшему технологическому формоизменению.

3. Выяснение структурно-фазового состояния сплавов на разных стадиях технологического процесса в связи с проблемой запаса пластичности.

4. Выяснение возможности существования масштабного эффекта при локализации деформации и установление его количественной формы.

Поставленные задачи могли быть решены только при совместном использовании экспериментальных методик, позволяющих с одной стороны исследовать распределение деформаций в образцах в ходе процесса растяжения, а с другой позволяющих получать надежную информацию о структурно-фазовом составе сплавов. Это стало возможным, благодаря тому, что работа выполнялась в тесном сотрудничестве с коллективом ЦЗЛ ОАО "Чепецкий механический завод", где за 50 лет накоплены уникальные данные о составе и деформируемости и прочности циркониевых сплавов.

Новизна полученных в работе данных определяется тем, что в обширной литературе по пластичности циркония и его сплавов основное внимание до сих пор уделялось микроскопическим механизмам пластичности, а проблема локализации на мезо- и макроуровнях практически игнорировалась. В работе впервые прослежена эволюция картины локализации деформации в промышленных сплавах циркония от предела текучести до разрушения и установлена связь наблюдаемых картин со стадийностью пластического течения. Полученные данные подтвердили ранее развитые представления о взаимосвязи закона деформационного упрочнения и типа локализации и позволили расширить их на ранее не исследованные в этом отношении ГПУ материалы. Также впервые удалось наблюдать и количественно описать масштабный эффект, то есть зависимость пространственного периода расположения зон локализованной деформации от размера образца.

Автор защищает:

1. Экспериментальные доказательства возможности существования в исследованных ГПУ сплавах циркония систем эквидистантно расположенных очагов локализации пластической деформации, подвижных на стадии линейного упрочнения и неподвижных на параболической стадии. Этим подтверждается универсальность ранее установленной для ГЦК и ОЦК материалов связи характера локализации деформации и закона деформационного упрочнения.

2.Основы методики оценки запаса пластичности сплава Э635 в процессе холодной обработки давлением по картинам локализации деформации, позволившей выявить опасные зоны неоднородности свойств в полуфабрикатах и оптимизировать режим обработки давлением на последующих стадиях прокатки твэльных труб.

3 .Логарифмический характер зависимости пространственного периода локализации деформации (на примере сплава Э125) от длины образца (масштабный эффект), задающий условия существования и возможности наблюдения устойчивых пространственно-перио-дических картин локализации.

Научная и практическая ценность работы определяется тем, что в ней впервые на ГПУ сплавах наблюдался характер локализации деформации, аналогичный ранее установленному для ГЦК и ОЦК материалов. Тем самым расширены рамки применимости выявленных ранее закономерностей, связывающих тип локализации с законом деформационного упрочнения металлов и сплавов. Установленные в работе особенности локализации деформации в предварительно деформированных сплавах позволили сформулировать рекомендации, использованные при оптимизации энергосилового режима холодной прокатки твэльных труб на промышленных станах.

- а~

Основные выводы

1.На примере циркониевого сплава с ГПУ кристаллической решеткой подтверждено ранее установленное правило, согласно которому на стадии линейного упрочнения картина локализации деформации имеет вид системы движущихся эквидистантных очагов локализованной деформации, а на стадии параболического упрочнения - такой же, но стационарной системы.

2.Определены скорость движения очагов деформации -3,5 10'5 м/с и длина пространственного периода таких картин локализованной деформации для разных состояний сплава и условий деформации. 3.Экспериментально обнаружена линейная зависимость длины пространственного периода локализации деформации в циркониевом сплаве от логарифма длины образца (масштабный эффект).

4.Предложен и реализован способ оценки технологической пластичности циркониевых сплавов при холодной прокатке труб по картинам распределения зон локализованной деформации. Выявление местоположения таких зон в заготовках труб позволило, изменив профиль рабочего инструмента (валков и оправки), исключить разрушение трубных заготовок при прокатке.

-РА

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные исследования позволили установить, что ГПУ материалы не являются исключением по отношению к установленным ранее закономерностям, связывающим тип локализации деформации и закон деформационного упрочнения 0(8). Развиваемая в работах [73-76] точка зрения на пластическую деформацию как на процесс самоорганизации [100-102] в форме генерации и распространения автоволн пластического течения получила дополнительное подтверждение. Наблюдение масштабного эффекта явилось дополнительным соображением в пользу этого подхода, поскольку такой тип зависимости не присущ никаким из известных типов пространственно-временных процессов деформации. Наконец, впервые удалось применить наблюдающие особенности пространственно-временной самоорганизации в очаге деформации к проблеме оценки технологической пластичности циркониевых сплавов в ходе технологического процесса изготовления твэльных труб методом холодной прокатки.

1. Разбуженный атом. Новосибирск: НЗХК - Издательский дом "Вояж", 1998.

2. Р.Х. Эллис. Ядерная техника для инженеров.- М.: Госатомиздат, 1961.

3. Д. Дуглас. Металловедение циркония. М.: Атомиздат, 1975.

4. Махова В.А., Пиляев А.С. Разработка новых циркониевых сплавов для оболочек твэлов водо-водяных реакторов. //Атомная техника за рубежом. 1994,- N12, с. 3.

5. ОгибаловП.М., Кийко И.А. Очерки по механике . высоких параметров. М.: Идательство МГУ, 1966.

6. Займовский А. С., Никулина А. В., Решетников Н. Г. Циркониевые сплавы в ядерной энергетике. М.: Энергоатомиздат, 1994.

7. Петросьянц А. М. Проблемы атомной науки и техники,- М.: Атомиздат, 1979.

8. Предводителев А. А., Троицкий О. А. Дислокации и точечные дефекты в гексагональных металлах. М.: Атомиздат, 1973.

9. Lichter B.D. Precision lattice parameter determination of zirconium-oxigen solid solution. // Trans. AIME.- 1960. v.216 p.1015.

10. Lloyd L.T. Thermal expansion of a-zirconium single crystals. // ANL 6591 1963.

11. П.Ластман Б., Керц Ф. Металлургия циркония. М.: ИЛ, 1959.

12. Langeron J. P., Lehz P. Elude de la transformation alotropique oc«>p du zirconium.// Rev. metall.-1959.- v. 56 p.307.

13. Gaunt P., Christian J.W. The crystallography of the a<-»p transformation in zirconium and two titanium- molibdenium alloys.// Acta metal. 1959.-v.7p.534.

14. Миллер Г. JI. Цирконий. М.: ИЛ, 1955.

15. Mackenzie J. К., Bowles J.S. The cristallography of martensite transformation. (V Body contered cubic to ortorombic transformation.) // Acta metal. 1957,- v.5 p. 137.

16. Christian J. W. Application of the phenomenological theories of martensit. 1. Geometrical treatment. 2 Related type of martensitic transformation. // J. Instr. Metals.- 1956.- v. 84 p. 2262.

17. Coughlin J. P., King E.G. High-temperature heat contents of some zirconium-containing substanses. // J. Amer. Chem. Soc.- 1952,- v. 72 p. 2262.

18. Герцрикен С. Д., Слюсар Б.Ф. Определение теплоты аллотропиического превращения в Ti, Zr и сплаве Ti-6,5%Cr. // Украинский физический журнал. 1962,- т.7 с. 439.

19. Demars Н., Lehr P. Sur 1'anisotropie mecanique des toles de zirconium. // C.r. Acad. Sci.- Paris. 1962,- v.254 p. 1360.

20. Bangert L. Fliessgrenzerscheinunger in zircjnium-zinn legierungen.// Metalk.- 1959.-bd.50 s.269.21.0stberg G. Some observation of the ductiity of zirconium alloys with cpecial reference of the effect of hidrogen.// J. Inst. Metals. 1964,- v.93 p. 223.

21. Guarg R. W., Keeler J. H. Creep and stress rupture properties of zirconium effect of anealing treatment.// Trans. ASM. 1957,- v. 49 p.449.

22. Ластман Б. Керзе Ф. Металлургия циркония. М.: ИЛ. 1959.

23. Набарро Ф. Р., Базинский З.С. Холт Д. Б. Пластичность чистых монокристаллов. -М.: Металлургия, 1967.

24. Rapperport Е. J. Deformation processes in zirconium. // Acta metal. -1955. -v.5p. 208.

25. Сокурский Ю. H., Проценко Л. H. Системы деформации а-циркония.// Атомная энергия. 1958,- т.4 с. 579.

26. Rapperport Е. J. Room temperature deformation processes in zirconium.// Acta metal. -1959,- v.7 p.254.

27. Rapperport E. J. Deformation modes of zirconium at 77, 575 and 1075 К.// Trans. AIME. 1969. - v.218 p.869.

28. Westlake D.G. Gross-glide and twining in crystals of quenched zirconium-hidrjgen alloys.// J. Nucl. Mater. 1964. - v.3 p.113.

29. Гектина И. В., Лаврентьев Ф. Ф., Старцев В. И. Влияние степени структурного совершенства на вязкое торможение в кристалах цинка. В кн. Динамика дислокаций, Киёв: Наукова думка, 1975.

30. Akhtar A. Basial sleep in zirconium.// Acta mettal. 1973. - v. 21, N1,1-П.

31. Лаврентьев Ф. Ф., Гектина И. В. Деформирующее напряжение и его зависимость от плотности дислокаций в системе скольжения {1101}<1121> в кристаллах цинка. //ФММ,- 1980. -т.50, N1 , с. 175.

32. Келли А, Гровс В. Кристаллография и дефекты в кристаллах. М. "Мир" 1974.

33. Rogers В. A., Atrins D.F. Zirconium columbium diagram. // Trans. AIME. - 1955,- v.203 p. 1034.

34. Бычков Ю. Ф., Розанов А. Н., Скоров Д. М. Диаграмма состояния цирконий-ниобий.//Металлургия и металловедение чистых металлов.- 1959. т. 1, с. 179.

35. Емельянов В. С., Годин Ю. Г., Евстюхин А. И. Исследование циркониевого угла фазовой диаграммы состояния Zr-Ta-Nb.// -Атомная энергия. 1958,-т.4 с. 161.

36. Richter Н., Wincierz P., Anlerko К., Zwiker U. Zur Konstitution von Zirconium Niob -Legierungen. // J. less-common Metals.- 1962.- v. 55, p.542.

37. Иванов О. С., Григорович В. К. Строение и свойства сплавов циркония. // В кн. Труды второй международной конференции по мирному исследованию атомной энергии. Женева, 1958. Доклады советских ученых. т.З М.: Атомиздат, 1959. с. 439.

38. Lundin С. Е., Сох R. Н. A metallographic determination of the Zr-Nb phase diagram. Proc. USAEC Symp. on Zirkonium Alloy Developtment. GEAP-4089.1, 9-0 (1962).

39. Knapton A. G. Niobium and tantalium alloys.// J. less-common Metals. -1960. -v.2 p.113.

40. Bethune I. Т., Williamson C. D. The a/(a+P) boundery in the Zr-Nb sistem. // J. nucl. mater. 1969. - v.29 p. 129.

41. Дашковский А. П. Савицкий E. M. Температурная зависимость внутреннего трения, модуля Юнга и модуля сдвига Zr, Nb и сплавов Zr-Nb. //В сб. Металлургия и металловедение чистых металлов. Вып.2 М. Атомиздат, 1960 с.214.

42. Risher Е. S., Renken С. J. Adiabatic elastic moduli of single cristall a-zircjnium. // J. nucl. Mater. -1961. v.4 p.311.

43. Шебалдов П. В., Никулина А. В., Агеенкова JI. В., Кожевникова Н.

44. В. Структура и свойства сплавов циркония с ниобием. // Труды ВНИИНМ. М., 1974.

45. Hanson С. G., Rivlin V. G., Hatt В. A. The р-phase transformation of some zirconium thorium alloys. // J. nucl. Mater. - 1964. - v. 12 p.83.

46. Robinson H. A. et al. Heat treatment, transformation reactions and mechanical properties of some high-strength zirconium-base alloys. // Trans. AIME. 1959. - v.215 p.237.

47. Etoh Y. at al. Developtment of New Zirconium alloy for a BWR. // Eleweth International Symposium Zirconium in the Nuclear Industry. Garmich-Partenkirchen, Germany. Sept. 1995. .

48. Christodoulou N. at al. Modeling in-reactor deformation of Zr-2.5Nb pressure tubes in CANDU power reactor. // Eleweth International Symposium Zirconium in the Nuclear Industry. Garmich-Partenkirchen, Germany. Sept. 1995.

49. Иванов О.С., Григорович В. К. Строение и свойства сплавов циркония. // Труды второй международной конференции по мирному использованию атомной энергии. Т.З. Ядерное горючее и реакторные материалы. М.: Атомиздат, 1959. с.486.

50. Zaimovsky, A. S., Nikulina, А. V., et al. Influence of Zr-Alloy Chemical Composition and Microstructure on Its Creep Resistance. Proceedings. // Reactor Science Conference, 1978, V. 6, p. 52.

51. Nilulina A.V. et al Zirconium alloy E635 as a material for fuel rod cladding and other components of VVER and RBMK Cores. // Eleweth International Symposium Zirconium in the Nuclear Industry. Garmich-Partenkirchen, Germany. Sept. 1995.

52. Williams C. D. et al. Zircaloy-2 Lined Zirconium Barrier Fuel Cladding.// Eleweth International Symposium Zirconium in the Nuclear Industry. Garmich-Partenkirchen, Germany. Sept. 1995.

53. Delobelle P. A Unified Model to Describe the Anisotropic Viscoplastic Behavior of Zircaloy Cladding Tubes. // Eleweth International Symposium Zirconium in the Nuclear Industry. Garmich-Partenkirchen, Germany. Sept.1995.

54. Патент N 2032760. Способ получения изделий из циркониевых сплавов. // Никулина А. В., Маркелов В. А., Шебалдов П. В. и др.

55. Д. К. Чернов и наука о металлах. Под редакцией Н. Т. Гудкова. М.: Металлургиздат, 1950.

56. Бюрен В. Дефекты в кристаллах. М.: ИЛ. 1962.

57. Френкель Я. И. Введение в теорию металлов.

58. Хирш П. и др. Электронная микроскопия тонких кристаллов. М.: "Мир", 1968.

59. Динамика дислокаций. ФТИНТ, Харьков. 1968.

60. Постников В. С. Внутреннее трение в металлах. М.: Металлургия 1969.

61. Структура межкристаллитных и межфазовых границ. В. М. Косевич и др. М.: Металлургия, 1980.

62. Владимиров В.И., Романов А. Е. Дисклинации в кристаллах. Л. "Наука", 1986.

63. Лихачев В. А., Малинин В. Г. Структурно-аналитическая теория прочности. С-Пб.: "Наука" 1993.

64. Панин В. Е. Физические основы мезомеханики среды со структурой.// Изв. ВУЗов. Физика. 1992. - N4. - с. 5-18.

65. Владимиров В. И. Коллективные эффекты в ансамблях дефектов. В кн. Вопросы теории дефектов в кристаллах. Л.: " Наука", 1987.

66. Козлов Э. В., Конева Н. А. Физическая природа стадийности пластической деформации. В кн. Структурные уровни пластической деформации и разрушения. Новосибирск: "Наука", 1990.

67. Панин В. Е. Основы физической мезомеханики. // Физическая мезомеханика. 1998. - т. 1, N1, с.5-22.

68. Зуев Л.Б. О формировании автоволн пластичности при деформации.// Металлофизика и новейшие технологии. 1994,- т. 16,-N10, стр 31-36.

69. Зуев Л. Б., Данилов В. И. О природе крупномасштабных корреляций при пластическом течении. // ФТТ. 1997. - т. 39, N8, с. 1399-1403.

70. Zuev L. В., Danilov V. I. Plastic deformation viewed as evolution of an active medium. // J. Solids Struct, v. 34, N 29, pp. 3795-3805.

71. Zuev L. В., Danilov V. I. A self-excited wave model of plastic deformation in solids. // Philosophical Magazine A. 1999. - v. 79, N 1, p.43-57.

72. Кернер Б. С., Осипов В. В. Автосолитоны. / УФН. 1989. - т. 157, вып. 2 - с.201-266.

73. Кернер Б. С., Осипов В. В. Самоорганизация в активных распределенных средах. / УФН. 1990. - т. 160, вып.9 - с.2-73.

74. ГОСТ 1497-84 Металлы. Методы испытаний на растяжение.

75. ГОСТ 2999-75 Металлы. Измерение твердости по Виккерсу.

76. Клименко И. С. Голография сфокусированных изображений и спекл-интерферометрия. М.: "Наука" 1985.

77. Джоунс Р., Уайкс К. Голографическая и спекл-интерферометрия. М.: "Мир" 1986.

78. Вест Ч. Голографическая интерферометрия. М. "Мир" 1982.

79. Горбатенко В. В. О природе пространственной и временнойпериодичности пластической деформации. Дисс. к.ф.-м.н.1. Томск, 1993. -120 с.

80. Данилов В. И. Закономерности макромасштабной неоднородности пластического течения металлов и сплавов. Дисс. . д.ф.-м.н. Томск, 1995. - 259 с.

81. Pat N 93002731. Method and Apparats for Nondestructive Testing of the Mehanical Behavour of Solid State Object under Loaling / V. E. Panin, L. B. Zuev, V. I. Danilov. Moscow: Ruspatent, 1993.

82. Фридман Я. Б. Механические свойства металлов. М. Государственное издательство оборонной промышленности, 1952.

83. Бронштейн И.Н. Семендяев К.А. Справочник по математике. М.: Государственное издательство физико-математической литературы,1962. с.66.

84. Зуев JI. Б., Карташова Н. В., Данилов В. И. Пространственно-временная самоорганизация пластической деформации ГЦК монокристаллов. // Письма в ЖЭТФ. 1994. - том 60 - вып. 7 -стр 538-540.

85. Баранникова С.А., Зуев Л. Б., Данилов В. И. Кинетика периодических процессов при пластическом течении. // ФТТ. 1999. - том 41 - вып. 7 - с. 1222-1224.

86. Zuev L. В., Semuchin В. S., Bushmeliova К. I., Zarikovskaya N. V. On the acoustic properties and plastic flow stages of deforming A1 polycristfls. // Mat. letters 00. (1999) 000-000.

87. Зуев Л. Б., Карташова Н. В., Данилов В. И. и др. Закономерности локализации деформации в материале с пластичностью превращения (монокристаллы NiTi). // ЖТФ. 1996. - т. 66 - вып. 11-с.190-196.

88. Данилов В. И., Зуев Л. Б., Мних Н. М. и др. Волновые эффекты при пластическом течении поликристаллического А1. / ФММ. 1991. -N3, - с.188-194.

89. Сарычев В.Т. Спектральное оценивание методами максимальной энтропии. Томск: Издательство ТГУ. 1994.

90. Сарычев В.Т. Метод максимальной энтропии в спектральном оценивании. // Изв. ВУЗов. Радиофизика. - 1991. - N2 - с. 157-162.

91. Сарычев В. Т. Непараметрические методы спектрального оценивания. // Изв. ВУЗов. Физика. - 1995. - N9 - с. 148-152.

92. Сарычев В.Т. Некоторые проблемы спектрального оценивания.// Изв. ВУЗов. Радиофизика. - 1997. - N7- с. 925-930.

93. Кульбак С. Теория информации и статистика. М.: "Наука"-1967.г? NOV 15, 1999 ID: JSC CHMP1. TEL NO: 3341413450723919 JAGE: 1/1