4.2 Зависимость водородной хрупкости от внешних и внутренних факторов
Основными факторами, которые оказывают влияние на гидридную хрупкость сплавов Zr-Nb, являются [4, 15]:
напряженное состояние;
остаточные напряжения;
скорость деформации;
температура;
концентрация водорода;
текстура;
микроструктура;
механические свойства матрицы;
технологические особенности получения сплава;
облучение;
состав сплава.
Наличие внешних напряжений (выше некоторого критического значения), действующих на сплавы циркония, вызывает выделение водорода из пересыщенного раствора в форме определенным образом ориентированных пластинок. Критическое значение напряжения зависит от технологии изготовления образцов и от направления воздействия на них. На рисунке 4.2 представлена зависимость скорости развития трещины от коэффициента интенсивности напряжения.
Рисунок 4.2 – Зависимость скорости развития трещины v от коэффициента интенсивности напряжения К1 в образцах из отожженного сплава Zr+2,5%Nb при ЗГР (Сн2 = 0,01%):
Обычное состояние; 2 - повышенное загрязнение [4]
Как видно на рисунке 4.2, начиная с некоторой величины интенсивности напряжения, называемой критическим коэффициентом интенсивности напряжений для гидридного растрескивания К1H, скорость роста трещины резко возрастает. Эта величина существенно зависит от степени загрязнения материала.
При неоднородном напряженном состоянии водород устремляется в область растягивающих напряжений. В общем случае для переориентации гидридов необходимы растягивающие напряжения приблизительно равные половине предела текучести материала при температуре испытания, то есть в данном случае σкр≈ 0,5∙σ0,2310°С= 90-125 МПа (см. п.2.2).
Остаточные напряжения в материале могут вызвать ориентированное выделение гидридов. Также наличие надрезов и подобных им концентраторов напряжений на поверхности обуславливает увеличение склонности материала к гидридному охрупчиванию.
С увеличением скорости деформации возрастает склонность к гидридному охрупчиванию.
При малых скоростях в устье надреза, образованного пластинкой гидрида, успевает пройти пластическая деформация, снимающая концентрацию напряжений, и хрупкого разрушения не наступает. При больших скоростях пластическая деформация в устье надреза не успевает пройти, и пластинка начинает действовать как эффективный концентратор напряжений. В начале гидридной пластинки напряжение резко возрастает, и от начала начинает расти трещина, которая после достижения гриффитсовых размеров быстро распространяется до барьера (обычно до границы зерна).
Уменьшение скорости деформации приводит к усилению хрупкости, обусловленной распадом пересыщенных относительно водорода твердых растворов.
Понижение температуры испытаний увеличивает склонность к гидридному охрупчиванию, что, согласно схеме А.Ф. Иоффе, обусловлено более ранним достижением сопротивления срезу, чем сопротивления отрыву при достаточно низких температурах. С увеличением температуры повышается растворимость водорода в цирконии, а значит, часть гидридов разрушается, с переходом водорода в твердый раствор. Кроме того, выделения гидридов становятся более пластичными, что обуславливает постепенное восстановление пластичности сплава с увеличением температуры. При термоциклировании наблюдается явление ориентирования гидридов, причем направленность гидридов усиливается, стремясь к некоторой предельной величине, с увеличением числа циклов. Однако при термоциклировании с одновременным наложением напряжений происходит измельчение гидридных выделений и их переориентация. От температуры также зависит максимальная степень переориентировки гидридов.
При заданной рабочей температуре (310°С) растворимость водорода в сплаве Zr-Nb несколько выше 0,02 ат. % [4], чем при комнатной.
В области малых концентраций водорода иногда наблюдается небольшое дисперсионное упрочнение, обусловленное дисперсными выделениями гидридов. Повышение концентрации водорода начинает отрицательно влиять на поперечное сужение и относительное удлинение образцов. При повышенных концентрациях водорода наблюдается истинно хрупкое разрушение с резким снижением показателей пластичности и характеристик прочности при растяжении. На рисунке 4.3 проиллюстрирована зависимость механических свойств циркония от содержания в нем водорода.
Рисунок 4.3 – Влияние водорода на механические свойства циркония [15]
Если текстура материала такова, что плоскости габитуса (плоскости внутри зерна, вдоль которых выделяются гидриды) ориентированы нормально к действующим растягивающим напряжениям, то материал будет более склонен к ориентированному выделению гидридов.
На механические свойства циркониевых сплавов также влияют форма и распределение выделившихся гидридов. При расстоянии между гидридными пластинами более критического (около 150 мкм) разрушение образца становится вязким. При испытаниях на растяжение более высокую пластичность показывают сплавы со сферической формой гидридов, что обусловлено увеличением равномерности дисперсионного упрочнения, уменьшением вредного воздействия преимущественной ориентировки гидридов, и другими причинами.
В склонности сплавов циркония к водородной хрупкости важнейшую роль играют свойства матрицы. Если она пластична, то для распространения трещины необходима непрерывная пластическая деформация матрицы, что требует больших энергетических затрат. Если же матрица хрупкая, то зародившиеся на гидридах трещины будут распространяться самопроизвольно без существенной пластической деформации матрицы.
Отжиг образцов приводит к снижению остаточных напряжений, а значит, снижает вероятность образования зон ориентированного выделения гидридов.
В работе [16] изучено влияние облучения на переориентировку гидридов в сплаве Zr-2,5%Nb под действием растягивающих напряжений. Результатом исследований стал вывод о том, что облучение снижает склонность данного сплава к переориентировке гидридов.
Состав циркониевого сплава также оказывает влияние на его склонность к водородной хрупкости. При наличии примесей внедрения (например, кислорода и углерода) растворимость водорода в цирконии снижается. Наоборот, некоторые примеси в твердых растворах замещения повышают растворимость водорода в цирконии. Кроме того различные примеси оказывают влияние на механические свойства матрицы, от которых также зависит склонность сплава к гидридной хрупкости.