2. Сопротивление хрупкому разрушению цирконий-ниобиевого сплава

В обычных условиях Zr и большинство его сплавов являются вязкими материалами. Однако при длительной эксплуатации в реакторе элементов, выполненных из циркониевых сплавов, в них происходит облучение и накопление водорода, которые приводят к охрупчиванию, выражающемся в увеличении температуры хрупко-вязкого перехода Т_х, а также уменьшении вязкости разрушения К_IС и критической длины трещины l_кр. Это может быть опасно тем, что внезапное хрупкое разрушение произойдет до того, как будет обнаружена течь, и радиоактивные продукты деления попадут в окружающую среду.

На рисунке 2.2 показаны кривые изменения критической температуры хрупко-вязкого перехода сплава Zr-2,5%Nb, определенные по ударным испытаниям на изгиб образцов с надрезом в зависимости от содержания водорода и облучения [4].

Рисунок 2.2 - Влияние наводороживания на критическую температуру хрупкости сплава Э125 (с 2,5% Nb) а - холоднодеформированный сплав, б – термообработанный сплав, 1 – без облучения, 2 –нейтронное облучение Ф_н=(2,3÷4,7)∙10²⁴ м².

Из рисунка 2.2 видно, что облучение сильнее воздействует на сдвиг температуры Т_х при малых содержаниях водорода, однако действие водорода в значительной степени зависит и от структурных показателей, в частности ориентации гидридов.

Вязкость разрушения и критическая длина трещины зависят от состава и структурного состояния сплава. Ниже приведены сравнительные значения К_IC и l_кр для сплава Zr+1%Nb+1%Sn+0,4%Fe и Zr+2,5%Nb.

Таблица 2.1 - Значения вязкости разрушения и критической длины трещины для канальных труб из циркониевых сплавов [4]

Сплав	Состояние	КIC, МПа∙м1/2	lкр, мкм
Zr+1%Nb+1%Sn+0,4%Fe	Горячее прессование+хол. деформ. + отжиг 580°С	66	32
Zr+2,5%Nb	Горячее прессование+хол. деформ. + отжиг 540°С, 5ч	97	42

Из таблицы 2.1 видно, что в исходном состоянии (при номинальном содержании водорода ~2∙10^-4 %) критическая длина трещины составляет достаточно большую величину, существенно превосходящую ту, которая может быть зарегистрирована в процессе эксплуатации или при испытаниях (около 10 мкм). Однако облучение существенно уменьшает l_кр. Она резко уменьшается в начальный период облучения и затем, при увеличении флюенса, происходит дальнейшее медленное уменьшение критической длины, которая становится соизмеримой с минимальной регистрируемой длиной трещины. Поэтому l_кр - важный критерий работоспособности конструктивного элемента. Наилучшими характеристиками обладает сплав Zr+2,5% Nb в отожженном состоянии.

3. Радиационная ползучесть цирконий-ниобиевого сплава

Скорость ползучести может более или менее резко изменяться в зависимости от температуры, если происходит изменение механизма деформирования. На рисунке 2.3 показана зависимость скорости ползучести от температуры для сплава циркалой-2.

Рисунок 2.3 - Зависимость скорости ползучести сплава циркалой-2 от температуры при σ=140 МПа: 1 – направление вдоль прокатки, 2 – направление, близкое к поперечному [4]

Как видно на рисунке 2.3, в области температур, близких к рабочей (250-300°С), имеется «провал» в скорости ползучести, обусловленный тем, что на ранней стадии деформирования при этих температурах включается механизм интенсивного деформационного старения. Однако при длительных испытаниях процесс нивелируется, и резкие различия стираются.

Воздействие облучения на ползучесть циркониевых сплавов схематично показано на рисунке 2.4.

Рисунок 2.4 - Схематическое изображение влияния облучения на ползучесть циркониевых сплавов при постоянном напряжении (сплошная линия – в реакторе, пунктирная – вне реактора) [4]

Как видно из рисунка 2.4, наиболее сильное влияние облучения проявляется в области рабочих температур (≈300°С), соответствующих области использования циркониевых сплавов в реакторах.

Зависимость скорости ползучести сплавов циркония от напряжения характеризуется постепенным увеличением показателя степени έ ~σⁿ с увеличением напряжения. Причем n меняется не только с увеличением напряжения, но и со временем испытания. Изменение характера зависимости под облучением показано на рисунке 2.5.

Рисунок 2.5 - Сравнение зависимостей скорости ползучести от напряжений холоднодеформированных циркониевых сплавов циркалоя-2 и Н-2,5 при T=300°С (схема): вид зависимости έ ~σⁿ сплошная линия – в реакторе, пунктирная – вне реактора [10]

Облучение резко сокращает переходную стадию ползучести и делает функциональную зависимость έ ~σⁿ практически независящей от времени, при этом линейный характер зависимости расширяется примерно до σ≈(1/3)σ_0,2.