Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор литературы 10
1.1 Структура и механические свойства циркониевых сплавов 10
1.1.1 Химический состав, структура и свойства промышленных сплавов циркония 10
1.1.2 Технологический процесс производства циркония ядерной чистоты и промышленных сплавов на основе циркония 19
1.1.3 Совершенствование сплавов циркония 25
1.2 Коррозионное разрушение сплавов циркония 28
1.2.1. Равномерная коррозия 28
1.2.2 Локальная коррозия (коррозионное растрескивание под напряжением) 30
1.3 Охрупчивание оболочек ТВЭЛов при высокотемпературном окислении 32
1.3.1 Авария типа LOCA 32
1.3.2 Микроструктура и разрушение оболочек ТВЭЛов после высокотемпературного окисления 34
1.3.3 Требования, предъявляемые к ТВЭЛам, и исследование их поведения в аварийных условиях 36
1.4 Методы оценки пластичности и сопротивления разрушению циркониевых сплавов 39
1.5 Устойчивость пластического течения и технологическая пластичность циркониевых сплавов 44
1.6 Применение метода акустической эмиссии для анализа процессов деформации и разрушения 48
1.7 Выводы и постановка задачи исследования 48
2. Материал и методики исследования 53
2.1 Материал 53
2.2 Механические испытания 56
2.2.1 Определение параметров трешиностойкости оболочечных труб в состоянии поставки и после КРН-испытаний 56
2.2.2 Оценка трешиностойкости оболочечных труб по критическому коэффициенту интенсивности напряжений Кс 60
2.2.3 Оценка трешиностойкости оболочечных труб по энергетическому параметру нелинейной механики разрушения J— интеграл 61
2.2.4 Оценка трешиностойкости оболочечных труб после высокотемпературного окисления 63
2.3 Методика приготовления объектов исследования и анализ структуры и изломов 65
3. Пластичность и статическая трещиностойкость оболочечных труб в состоянии поставки 68
3.1 Испытания на растяжение и анализ диаграмм деформации 68
3.1.1 Подготовка образцов и проведение испытания 68
3.1.2 Определение характеристик пластичности и деформационного упрочнения 69
3.1.3 Пластичность сплавов Э110, Э635 и их модификаций с разной степенью рекристаллизации 71
3.1.4 Трещиностойкость сплавов Э110, Э635 и их модификаций в состоянии поставки 73
3.1.5 Строение изломов образцов труб после испытаний на трещиностойкость 74
4. Сопротивление коррозионному разрушению и трещиностойкость образцов труб после КРН-испытаний 79
4.1 Методика локальных КРН - испытаний тонкостенных оболочечных труб с измерением акустической эмиссии 79
4.1.1 Схема установки и условия испытаний 79
4.1.2 Измерение АЭ: аппаратура и информативные параметры 81
4.1.3 Количественная оценка коррозионной повреждаемости труб 84
4.2 Трещиностойкость образцов труб после КРН-испытаний с полным погружением в коррозионную среду 87
4.2.1 Предварительное нагружение образцов внутренним давлением 87
4.2.2 Трещиностойкость и количественный анализ коррозионных дефектов сплавов после КРН испытаний 89
5. Факторы охрупчивания и трещиностойкость оболочечных труб после высокотемпературного окисления 94
5.1 Проведение испытаний образцов труб после высокотемпературного окисления под внутренним давлением 94
5.2 Структурные исследования 96
5.2.1 Методики анализа микроструктуры оболочечных труб после высокотемпературного окисления 97
5.2.2 Анализ параметров микроструктуры сплавов после высокотемпературного окисления 102
5.3 Количественный анализ изломов образцов после испытаний на трещиностойкость 107
5.4 Взаимосвязь параметра трещиностойкости Кс с характеристиками изломов 113
5.5 Изменение микротвердости по толщине стенки охрупченных образцов 114
5.6 Определение содержания кислорода и водорода 116
5.7 Распределение химических элементов по толщине стенки трубы 123
5.8 Микростроение изломов 125
5.9 Влияние микроструктуры на трещиностойкость «ех-р»-слоя 129
Выводы 133
Список использованных источников 135
- Технологический процесс производства циркония ядерной чистоты и промышленных сплавов на основе циркония
- Строение изломов образцов труб после испытаний на трещиностойкость
- Трещиностойкость и количественный анализ коррозионных дефектов сплавов после КРН испытаний
- Количественный анализ изломов образцов после испытаний на трещиностойкость
Введение к работе
Актуальность работы
Сопротивление разрушению является важнейшей характеристикой оболочек ТВЭЛов - наиболее ответственных элементов тепловыделяющих сборок (ТВС) атомных реакторов. Растрескивание циркониевых изделий при изготовлении повышает процент брака на производстве, а при эксплуатации - снижает ресурс, эксплуатационную надежность и безопасность работы реакторов. Поэтому задача получения новых знаний о деформации и разрушении циркониевых сплавов для повышения их технологической пластичности и сопротивления разрушению чрезвычайно актуальна.
Основным из направлений совершенствования сплавов циркония для ТВС является создание новых модификаций промышленных сплавов, в которых за счет изменения химического состава по легирующим и примесным элементам достигается повышение прочностных характеристик, коррозионной и радиационной стойкости. Основной целью совершенствования промышленных циркониевых сплавов и разработки их новых модификаций является для сплава Э110 повышение прочности, а для сплава Э635 - повышение коррозионной стойкости.
Для обоснования использования новых модификаций циркониевых сплавов в качестве конструкционных материалов активной зоны помимо экспериментально-подтвержденных закономерностей влияния химического состава сплавов на коррозионную стойкость и радиационную ползучесть необходимо оценить их влияние на пластичность и сопротивление разрушению в различных условиях нагружения.
При эксплуатации ТВЭЛов в составе ТВС в реакторах, возможны ситуации, при которых сопротивление разрушению является наиболее критическим параметром. Это различного рода аварии (аварии с потерей теплоносителя, реактивностные аварии, скачки мощности при маневренных режимах работы реактора и др.). При авариях с потерей теплоносителя (аварии типа LOCA), циркониевые оболочки нагреваются до высоких температур (900 - 1100 С) и активно окисляются в паре, после чего резко охлаждаются системой аварийной защиты. Это приводит к охрупчиванию, в результате чего трубы могут разрушиться при последующей выгрузке ТВС из активной зоны реактора. Наиболее крупными авариями типа LOCA, произошедшими на атомных станциях в мире являются авария на АЭС «Три-майл-Айлэнд» (США, 1979 г.) и авария на АЭС «Фукусима-1» (Япония, 2011 г.).
Не менее опасным процессом, ограничивающим эксплуатационную надежность элементов ТВС особенно после достаточно глубокого выгорания топлива, является коррозионное растрескивание под напряжением (КРН) оболочек ТВЭЛов под воздействием механических напряжений, возникающих в результате расширения топлива, и воздействия йода, выделяющегося в качестве продукта деления топлива. Процесс КРН может привести к образованию сквозных трещин в оболочках и их разгерметизации.
Поэтому важной задачей является выявление основных факторов определяющих сопротивление разрушению оболочек ТВЭЛов в условиях КРН и LOCA определение параметров, адекватно характеризующих степень охрупчивания труб из различных модификаций сплавов.
Для определения сопротивления разрушению тонкостенных труб из достаточно пластичных циркониевых сплавов в различных условиях необходимы новые нестандартные высокочувствительные методы, позволяющие не только исследовать механизмы и кинетику разрушения на разных (особенно на начальных) стадиях, но и определять характеристики вязкости разрушения.
Актуальность диссертационной работы подтверждается её выполнением в рамках договоров и контрактов НИТУ «МИСиС», с предприятиями Госкорпорации «Росатом» и Топливной компании «ТВЭЛ» по направлениям, определенным ФЦП «Развитие атомного энергопромышленного комплекса России на 2007-2010 годы и на перспективу до 2015 года», корпоративной Программой «Обеспечение потребностей атомной энергетики и промышленности конкурентоспособными циркониевыми материалами и изделиями», рассчитанной на 2009-2015 годы, а также при финансовой поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований (проект № 08-03-00490-а) и Министерства образования и науки Российской Федерации (проект № 2.1.2/14024).
Цель работы
Исследование деформации и сопротивления разрушению тонкостенных оболочечных труб из модифицированных сплавов циркония в сравнении со сплавами штатных составов в различном структурном состоянии, определение характеристик сопротивления разрушению при различных условиях нагружения для уточнения химического состава и деформационно-термической обработки оболочечных труб.
Основные задачи:
1. Разработать методики и провести испытания по оценке запаса пластичности
и трещиностойкости тонкостенных оболочечных труб из циркониевых сплавов
Э110 и Э635 различного химического состава, определить характеристики
пластичности и трещиностойкости новых модификаций сплавов циркония в
различных условиях нагружения.
Определить факторы, ограничивающие пластичность и трещиностойкость оболочечных труб из циркониевых сплавов Э110, Э635 и их модификаций в состоянии поставки, при КРН в среде метанол-йод, а также после высокотемпературного окисления в паре (испытания типа LOCA).
Изучить механизмы и кинетику КРН модифицированных сплавов циркония и определить влияние коррозионных повреждений на вязкость разрушения оболочечных труб.
Научная новизна работы:
1. Разработаны новые методики определения характеристик и трещиностойкости тонкостенных труб из циркониевых сплавов, что позволило выявить основные факторы, ограничивающие их пластичность и трещиностойкость,
в том числе, после агрессивного воздействия коррозионной среды и высокотемпературного окисления.
Впервые при испытании образцов труб внутренним давлением с измерением акустической эмиссии от старта трещины определены характеристики вязкости разрушения тонкостенных труб из новых модификаций циркониевых сплавов в состоянии поставки, после КРН-испытаний и высокотемпературного окисления в паре.
Показано, трубы из сплава Э110М в состоянии поставки при прочности в 1,3 раза выше, чем для труб из сплава Э110, характеризуются сравнимой с ним деформационной способностью. При этом вязкость разрушения труб из сплава Э1 ЮМ в 3 раза ниже, чем для сплава Э110.
Показано, что при одинаковых условиях КРН-испытаний для труб из сплава Э110М время до начала разрушения в 2 раза меньше, а количество и площадь коррозионных дефектов в 1,5 раза больше, чем для сплава Э110 при одинаковом механизме разрушения. Образование и накопление коррозионных дефектов в образцах труб из сплавов Э110 и Э110М при КРН-испытаниях в течение 8 часов не повлияло на их трещиностойкость.
Впервые определены количественные характеристики структуры, изломов и трещиностойкости Кс образцов труб из модифицированных сплавов Э110М, Э635М и Э110Г после высокотемпературного окисления в паре в сравнении со штатными составами сплавов.
Показано, что основными факторами, ограничивающими пластичность и трещиностойкость сплавов после высокотемпературного окисления являются: доля крупных участков обогащенной кислородом a-Zr-фазы, доля структуры типа «корзиночное плетение» и содержание выделений водородосодержащей гидридной фазы в «ех-(3»-слое. Уменьшение суммарного содержания примесей в сплавах уменьшает степень охрупчивания труб.
Практическая ценность работы:
Разработанные методики испытаний на растяжение и статическую трещиностойкость с измерением АЭ использованы при исследовании механических свойств и разрушения циркониевых оболочечных труб для оптимизации их химического состава и микроструктуры, обеспечивающих необходимую технологическую пластичность и трещиностойкость при сохранении комплекса коррозионных и других механических свойств.
Результаты работы использованы для совершенствования режимов деформационно-термической обработки труб из новых модификаций циркониевых сплавов Э110 и Э635.
Результаты исследований будут использованы при разработке новых усовершенствованных модификаций циркониевых сплавов для элементов ТВС, что позволит обеспечить высокое сопротивление разрушению при их изготовлении и эксплуатации в реакторах нового поколения в условиях запланированных высоких нагрузок.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на следующих научных конференциях:
1. Научная сессия МИФИ 2005. IV Научно - Техническая конференция
«Научно-инновационное сотрудничество», 24-28 января 2005, Москва, МИФИ.
2. Ш-я Евразийская научно-практическая конференция «Прочность
неоднородных структур, ПРОСТ 2006», 18-20 апреля 2006 г. Москва, МИСиС.
3. Российская научная конференция. Материалы ядерной техники «От
фундаментальных исследований к инновационным решениям», 3-7 октября 2006 г.,
Краснодарский край, г. Туапсе.
V-я Научно-практическая конференция материаловедческих обществ России «Цирконий: металлургия, свойства, применение», 24-28 ноября, 2008, г. Звенигород.
9-th International Symposium of Croatian Metallurgical Society «Materials and metallurgy», June 20 - 24, 2010, Sibenik, Croatia.
ІХ-я Российская конференция по реакторному материаловедению, 14-18 сентября 2009 г., г. Димитровград.
7. V-я Евразийская научно-практическая конференция «Прочность
неоднородных структур», 20-22 апреля 2010 г., Москва, НИТУ «МИСиС».
8. Всероссийская научно-техническая конференция «Материалы ядерной
техники» (МАЯТ-2010), 26 сентября-02 октября 2010 г., Краснодарский край, г.
Туапсе.
9. Научная сессия НИЯУ МИФИ-2011. Техническая конференция
«Инновационные ядерные технологии» 1-5 февраля 2011. г. Москва. НИЯУ МИФИ.
10. 8-th International Congress «Machines, Technologies, Materials», September 19-
21, 2011, Varna, Bulgaria.
Публикации
По материалам диссертационной работы опубликовано 7 статей в изданиях, включенных в перечень журналов рекомендованных ВАК, 17 работ в сборниках трудов научных конференций.
Структура и объём работы
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы из 100 наименований. Работа изложена на 145 страницах, содержит 67 рисунков и 15 таблиц.
Технологический процесс производства циркония ядерной чистоты и промышленных сплавов на основе циркония
Характерной особенностью сплава Э110 и более радиационно- и коррозионно-стойкого сплава Э635 является наличие ниобия, основного легирующего элемента как для бинарного, так и для многокомпонентного сплавов. Базовые циркониевые сплавы западного производства (Циркалой-2 и 4) легированы оловом, железом, хромом и никелем. В последнее время на Западе появились новые перспективные циркониевые сплавы, легированные в основном или в том числе ниобием (Zirlo, М4, М5, NDA, MDA) [14,15-17].
В качестве шихтового материала при выплавке циркониевых сплавов используют электролитический (Э), йодидный (И) и губчатый (F) цирконий. [14,18].
Производство ядерно-чистого циркония включает четыре основные стадии [14,19,20].
1. Разложение (вскрытие) цирконовой руды.
2. Получение сырьевых составляющих для очистки от гафния: (ZrCU+HfCU) или (K2ZrF6+K2HfF6). Перед очисткой сырье обычно содержит -1,5-2,5 мае. % гафния.
3. Разделение соединений циркония и гафния, получение ZrCl4 или K2ZrF6 с низким содержанием гафния.
4. Восстановление соединений циркония и получение металлического циркония с низким содержанием гафния ( 0,05 мае. %).
Основным процессом вскрытия (разложения) цирконовой руды, которая используется при производстве металла для сплава Э140; является фторидная химия, т.е. конверсия руды во фторцирконат калия по реакции: Zr02 Si02 + 2KF-SiF4 = K2ZrF6 +2Si02 [14,21].
Эта операция, обычно осуществляемая при 700-800. С, приводит к загрязнению" циркония фтором. В западных странах основным процессом вскрытия цирконовой руды, используемой для производства циркониевых сплавов М5, Zirlo, Циркалой-2 и 4, является хлоридная химия- [22]. В этом процессе смесь ZrCVSiOo и графита хлорируется-SiCU, TiCU или A1CU. Циркон-превращается в ZrOU и SiCUnpH температуре 1150 Є. Тетрахлорид циркония содержит некоторое количество тетрахлорида гафния, поэтому их разделяют метилизобутилкетоном (МИБК) [14,22].
Разделение циркония и гафния необходимо потому, что поперечное сечение поглощения тепловых нейтронов гафния (105 барн) почти в 600 раз больше, чем у циркония. Ограничение по содержанию гафния объясняется необходимостью обеспечения минимального содержания в активной зоне реактора материалов с повышенным коэффициентом захвати нейтронов. Наиболее часто применимы три: метилизобутилкетоновый процесс [14], экстракционная дистилляция [22] и дробная кристаллизация солей циркония и гафния.
— Метод дробной кристаллизации применяется при производстве ядерно-чистого циркония, необходимого для производства реакторных сплавов Э110 и Э635. Полученный после вскрытия циркона фторцирконат калия (K2ZrF6) содержит 1,5-2,5 мас.% фторгафната калия (K2HfF6) как примесь.
Традиционным методом очистки от гафния, применяемым при производстве циркалоев М5 и Zirlo в западных- странах, является МИБК процесс. Он начинается с получения смеси ZrCl4 + HfCl4 при вскрытии цирконовой руды и имеет несколько этапов [14-18]:
1. Превращение смеси ZrCU + HfCl4 в ZrOCl2 + НЮС12 в воде.
2. Превращение оксихлоридных компонентов в ZrO(SGN)2 + HfO(SCN)2 при использовании сернокислого pacTBOpaNEUSCN.
3. Удаление HfO(SCN)2 методом жидкостной экстракции, используя МИБК.
4. Обработка ZrO(SCN)2 соляной кислотой (НС1), превращение его в ZrOCl2.
5. Превращение ZrOCl2 в Zr(OH)4, используя гидрооксид аммония (NH4OH) и серную кислоту (H2SO4).
6. Получение Zr02, используя гидрооксид циркония и кальций; по реакции: гг(ОН)4+Са=гЮ2+Са(ОН)2.
7. Хлорирование Zr02 и превращение его в ZrCl4.
8. Восстановление ZrCl4 в металл методом Кролля.
Еще один метод очистки циркония от гафния - экстракционная дистилляция, который- был разработан относительно недавно [22]. Смесь фторцирконата калия (K2ZrF6) и 2-2,5 мае. % фторгафната калшь (K2HfF6) разделяется экстракционной дистилляцией с растворителем в виде расплавленных КС1 и АІЄІз- Конечный продукт этого процесса (ZrCl4), который обычно содержит 0,01 мае. % гафния, поступает на восстановление методом Кролля. На предприятиях CEZUS (Франция) разделение циркония- и гафния проводят этим методом.
В США разделение осуществляется жидкостной экстракцией. В Канаде и Индии экстракция проводится из нитратных растворов трибутилфосфата. В России разделение циркония и гафния проводят методом дробной (фракционной) кристаллизации.
Металлический цирконий, используемый для производства сплавов Э110 и Э635, обычно получают сплавлением электролитического и йодидного циркония. Йодидный цирконий получают разложением тетраиодида циркония (ZrLt) на накаленной вольфрамовой или циркониевой нити, нагретой до температуры 1300 С. Электролитический цирконий получают электролизом K2ZrF6 в расплавах КС1, NaCl, смеси KCl-NaCl или других галогенидов [14]. Металлический цирконий, полученный этим методом, содержит примесь фтора, который попадает в цирконий на стадиях вскрытия руды, удаления гафния и электролиза.
Практически весь металлический цирконий, который используется для производства сплавов М5, Zirlo, циркалой, MDA и NDA в западных странах, получают методом Кролля [14]. При этом чистый от гафния ZrCL восстанавливается расплавом магния с получением циркониевой губки: ZrCl4+2Mg=2MgCl2+Zr.
Циркониевая губка содержит остаток MgCb и дополнительный Mg. Концентрации MgCl2 и Mg уменьшаются дегазацией в вакууме или вакуумной дистилляцией. Однако полностью удалить остатки этих веществ невозможно. Таким образом, в полученной циркониевой губке содержится Mg.
Технологические схемы производства циркония в западных странах (Франция и США) и России показаны на рисунке 4 [14,22].
Строение изломов образцов труб после испытаний на трещиностойкость
Анализ изломов испытанных образцов после их долома при быстром нагружении проводится на сканирующем электронном микроскопе Hitachi S -800 при увеличениях х70 - х 17000 (рисунок 25). Количественные характеристики поверхности разрушения в зоне старта трещины определяют по измерениям размера и плотности характерных элементов изломов (мезо-ямок). Мезо-ямка - область излома квази-хрупкого разрушения, окаймленная вязкими перемычками. Мезо-ямки излома объединяют несколько зерен, разрушенных квази-сколом по плоскостям двойникования, покрывая всю поверхность излома. Количественное измерение параметров излома проводится по значениям, полученным не менее чем по 5 полям наблюдения в зоне старта трещины при увеличении хЮОО. Измеряются диаметры мезо-ямок - областей, ограниченных вязкими перемычками (утяжками) на анализируемом поле и рассчитывается их средняя площадь S M.H . Предполагая, что эти мезо-ямки занимают всю площадь поверхности разрушения S„ на поле фотографии (Sn = 0,013 мм ), их количество для каждого состояния оценивается
Таким образом, рассчитывается значения размеров мезо-ямок в изломе для каждого состояния материала обол очечной трубы. Данные количественной фрактографии сравнивали с измеренной трещиностойкостью материала труб.
Анализ поверхности разрушения образцов в плоской зоне ее развития показал, что изломы образцов труб всех состояний характеризуются смешенным вязко - квазихрупким механизмом разрушения. В изломах наблюдаются участки вязкого ямочного разрушения, окаймляющие зоны квазихрупкого разрушения (рисунок 26). Размер таких зон - мезо-ямок, окаймленных вязкими утяжками, включает несколько (5 - 7) зерен. В таблице 10 приведены значения вязкости разрушения образцов труб, диаметров и количество пср мезо-ямок в изломах образцов сплавов различного химического состава. На рисунке 28 сопоставлено количество мезо-ямок, определяющее его энергоемкость, с вязкостью разрушения сплавов.
Количество мезо-ямок коррелирует со значениями энергетического параметра трещиностойкости Jc образцов труб (коэффициент корреляции q = 0,94) рисунок 27). Образцы труб из сплава Э1 ЮМ, легированных кислородом и железом, имеют менее вязкий излом по сравнению с образцами сплава ЭПО в штатном состоянии. Для штатного состояния сплава ЭПО размер мезо-ямок меньше, а количество мезо-ямок и рельефность вязкой составляющей в изломе больше (рисунок 28) (таблица 10).
Изломы образцов труб из сплава Э635 и его модификации по характеру разрушения и параметрам излома практически не различаются (таблица 10). Нет статистически значимой разницы и в трещиностоикости этих сплавов. Хорошая корреляция характеристик изломов со значениями Jc показывает, что эти значения параметров трещиностоикости, определенные при испытаниях по описанным выше методикам, однозначно характеризуют вязкость разрушения (трещиностойкость) материала и могут быть использованы для характеристики сопротивления разрушению обол очечных труб.
Таким образом, повышение прочности сплава Э110М не привело к значительному понижению его пластичности при растяжении по сравнению со сплавом Э110, что свидетельствует о достаточно высоком запасе технологической пластичности. Однако, понижение показателей статической трещиностоикости образцов труб сплава Э110М более чем 1,7 раза по сравнению со сплавом Э110 может отрицательно сказаться на их сопротивлении разрушению.
Трещиностойкость и количественный анализ коррозионных дефектов сплавов после КРН испытаний
После- выдержки Bs растворе проводили дополнительное механическое нагружение сжатием находящегося внутри образцов рабочего тела (олова) на испытательной машине Instron 150 LX. Нагружение проводили в пластической области напряжений трубчатого образца вплоть до его вспучивания-(принятия бочкообразной формы) и/или- образования, крупной сквозной трещины, оба случая представлены на рисунке 35. При сжатии фиксировали диаграммы деформации. Значения параметра Jc рассчитывалось по методике Бигли и Лендиза (глава 2).
При деформации, образца внутренним давлением раскрывались поверхностные дефекты, образовавшиеся при коррозии. При этом если дефекты не объединялись в единую трещину, то падения нагрузки на диаграмме деформации не наблюдалось. В случае объединения дефектов в сплошную трещину на диаграмме наблюдался спад. Наличие или отсутствие спада нагрузки на диаграмме, (а при наличии величина деформации в этот момент) являлась критерием склонности материала к КРН. Скорость сжатия составляла
Раскрывшиеся коррозионные дефекты можно было наблюдать на поверхности образца невооруженным взглядом.
После проведения испытаний на сжатие с раскрытием дефектов образцы извлекались из оснастки и изучалась их поверхность на оптическом микроскопе Carl Zeiss «Axioskop 40 Pol» при увеличениях х100-х500, как показано на рисунке 36а. При этом проводили фотосъемку всей поверхности образца с получением набора фотографий для последующего их анализа в специальной программе с целью определения размеров и количества дефектов.
Для упрощения процесса фотосъемки образец размечали на сегменты и поворачивали в специальном устройстве относительно оси трубы.
Для более детального анализа дефектов были получены изображения на сканирующем микроскопе, который представлены на рисунке 366. Наблюдаемые на поверхности образцов дефекты представляли собой вскрывшиеся зоны зернограничного разрушения и питтинги.
Вид зоны зернограничного разрушения представлен на рисунке 37.
Из таблицы видно; что; для образцов сплава Э1Т0М" площадь питтингообразованияш 1: 4 разашфазмерьк ЗЗР больше; а количество питтингов существенно: меньше по сравнению; со сплавом ЭГ10. Самые низкие значения . параметров;коррозионной; повреждаемости наблюдаются для- образцов: сплава 3110F. Коррозионное: разрушение в сплаве ЭГ1 ОМ начинается и развивается значительно быстрее - время ТГ и Т2 в 5 и в: 1,9 раз меньше, чем в сплавах ЭГ10 иЭ110Г.
В сплаве Э635М разрушение оксидной пленки происходит раньше, а образование и развитее микродефектов происходит практически зато же время, что у сплава Э635. Однако, значения других параметров коррозионной повреждаемости при одинаковых условиях КРН-испытаний для образцов из сплавов Э635 и Э635М близки.
Таким образом, повышение прочности труб из сплава Э110М по сравнению со сплавом Э110 существенно изменило кинетику процесса КРН при том же механизме зарождения и развития коррозионных дефектов. Накопление коррозионных повреждений при КРН-испытаниях труб из всех сплавов не привело к значительному снижению их трещиностойкости. Уменьшение содержания олова на 0,5 % в модифицированном сплаве Э635М не повлияло на его коррозионную повреждаемость при КРН-испытаниях.
Количественный анализ изломов образцов после испытаний на трещиностойкость
Анализ поверхностей изломов проводили методом сканирующей электронной микроскопии на микроскопе Hitachi S-800, при увеличениях х50-х 10000. Изображение со сканирующего микроскопа через контроллер ввода/вывода видеосигнала передавали на персональный компьютер, где сохраняли в виде файла с расширением bmp. Дальнейший количественный анализ поверхностей изломов проводили по полученным массивам фотографий в программной среде Image Expert Pro 3.5.
На поверхности изломов по полученным фотографиям измеряли:
- глубину (h) разрушившегося сколом а - слоя (делали по 5 фотографий на каждое состояние при увеличении хЗОО, на каждой фотографии делали по 10 замеров, визуально определяя место окончания а - слоя);
- длину и плотность вторичных трещин, распространяющихся- в области а - слоя от поверхности по направлению к центру трубы (по- тем же фотографиям- что и в» пЛ, по 100- измерений на каждое состояние). Для получения значения- плотности трещин; измеренное количество трещин нормировали на площадь а - слоя, в которой они измерялись;
- размер зернограничных фасеток «ех-/3» - слоя (в случае зернограничного разрушения «ех-(3» - слоя)г Размер фасеток оценивали по- методу случайных секущих, который, используется для оценки размера зерна при анализе микроструктуры. Согласно этому методу, зернограничныю излом просматривали через окуляр-микрометр поле за полем и в.каждом поле зрения подсчитывали число пересечений диаметральной линии линейкой окуляра с границами зерна на шлифе. Поля зрения располагали равномерно по области излома, охватывая, всю его площадь. Для анализа было получено 10 фотографий областей зернограничного разрушения при увеличении хЮОО. Всего проводили по-10 секущих на каждом из 5 образцов каждого состояния. При этом, на одну секущую попадало от 5 до 10 зерен. Определив при помощи объект - микрометра длину изображения «линейки окуляра на плоскости шлифа L, и зная число просмотренных в процессе анализа полей зрения z, находили суммарную длину секущих линий Lxz. Затем делим Lxz на суммарное число точек пересечений, подсчитанное вовсех просмотренных полях зрения;
- долю хрупкой и вязкой составляющей в «ех Р» - слое. Долю хрупкой и вязкой составляющей оценивали по площади, занимаемой фасеточной и ямочной составляющими в «ех Р» - слое. Площади определяли прямыми измерениями размеров фасеток или ямок в изломе по фотографиям;
- размер, форму, ориентировку и плотность вторичных трещин в изломе. Эти характеристики определяли по методике анализа выделений второй фазы на поперечных шлифах. Плотность трещин определяли прямым подсчетом количества трещин в изломах при увеличении х500, нормируя их затем на площадь излома, с которой производился подсчет. При данном увеличении в одно поле зрения попадало около 20 трещин, подсчет проводили в 10 полях (по 5 полей на каждый из пяти образцов одного состояния) зрения. Размеры трещин определяли прямым измерением их длины (L) и ширины (Л) на поперечных шлифах. Количество измерений - то же что при оценке плотности трещин. Форму трещин оценивали отношением длины к ширине (L/h). Оценивали также в процентном соотношении долю круглых трещин (пор, соотношение Llh=\-2) и долю нормальных, вытянутых трещин (соотношение Llh 2). Ориентировку трещин оценивали по коэффициенту ориентации Fn.
Анализ изломов был проведен после разрушения окисленных образцов труб при испытаниях на трещиностойкость. При увеличении х120 были отсняты поверхности разрушения и составлены панорамы изломов в графическом редакторе Adobe Photoshop CS3, для измерения оксидного, альфа и «ех-Р» слоев (рисунок 49).
Кроме того, при увеличении х800 были получены и количественно проанализированы по 100 фотографий изломов (общая площадь поверхности излома 3,64 мм ) в области «ех-р»-слоя для каждого из пяти сплавов (рисунок 50).
Проведенное исследование структуры и изломов образцов труб показало, что слой оксида и ct-Zr фазы на поверхности разрушаются хрупко, а «ех-Р»-слой разрушается по смешанному хрупко-вязкому механизму. При этом участки «светлой» a-Zr-фазы и структуры типа «корзиночное сплетение» разрушаются хрупким сколом с образованием крупных фасеток, а выделения «темной» водородосодержащей фазы в «ех-3»-слое с образованием хрупких вторичных трещин. Поэтому, вязкость труб после высокотемпературного окисления полностью контролируется химическим составом и структурой «ех-Р»-слоя.
На фотографиях в «ех-Р»-слое выявлялись фасетки хрупкого скола, которые в графическом редакторе Paint обводились по контуру и закрашивались в красный цвет (рисунок 51).
Долю скола в «ех-р»-слое на поверхности разрушения образца рассчитывали в программе количественного анализа изображений Image Expert Pro 3.5, как отношение общей площади, занимаемой фасетками скола, к общей площади всех полей наблюдения изломов по каждому образцу. Кроме этого определялась средняя площадь одной фасетки скола для каждого сплава. Затем, по полученным данным для визуализации экспериментальных данных в математическом пакете Origin Pro 7.5, строились гистограммы распределения по площади фасеток, по которым в дальнейшем определялся диапазон максимальной площади скола, а также процент крупных фасеток скола (от 1500 мкм2) от общей площади сфотографированной поверхности излома (рисунок 52).
