Сопротивление микроползучести и длительная прочность сплавов на основе циркония с нанофазным упрочнением

Abstract

Характер дисперсного упрочнения циркониевых сплавов системы Zr–1,5Sn–1Nb с содержанием частиц ZrO₂ (< 5 нм) был изучен в исходном литом (после электродуговой плавки) и деформированном состояниях. Для этого использовались методы РФЭС и ТЭМ с оценкой скоростной чувствительности напряжений при длительном нагружении в условиях релаксации. Полученные результаты показывают, что при 673 К, по сравнению со стареющими сплавами, наноупрочнённые сплавы обладают большим сопротивлением ползучести. При этом сопротивление ползучести и длительная прочность существенно повышаются с концентрацией наноразмерных частиц ZrO₂ в интервале от 0,5% до 1,2% из-за роста термического сопротивления их гетерофазной структуры. Термически активированное распределение межфазных дислокаций от дисперсоидов считается наиболее вероятным механизмом нанодисперсного упрочнения указанных сплавов в полном соответствии с известной термической Rosler–Azrt–Wilkinson-моделью. Полученные данные могут быть полезными при изготовлении ТВЭЛов (оболочечных труб) для ядерной энергетики.

Характер дисперсного зміцнення стопів на основі цирконію в системі Zr–1,5Sn–1Nb, які містять часточки ZrO₂ (< 5 нм), було вивчено у вихідному виливаному (після електродугового витоплювання) та деформованому станах, з використанням РФЕС, електронної мікроскопії й експериментів зі стрибком напруги. Одержані результати свідчать про те, що при 673 К нанозміцнений стоп має більший опір плазучості, ніж старіючі стопи. Опір плазучості та тривала міцність істотно підвищуються при зростанні концентрації наночастинок ZrO₂ в інтервалі від 0,5% до 1,2% внаслідок термічного опору їх гетерофазної структури. В якості найбільш ймовірного механізму нанодисперсного зміцнення вказаних стопів розглядається подібний до раніше відомого, що відповідає теоретичній Rosler–Azrt–Wilkinson-концепції, механізм термічно активованого відриву міжфазних дислокацій від дисперсоїдів. Одержані дані можуть бути корисними при виготовленні ТВЕЛів (оболонкових труб) для ядерної енергетики.

Dispersion strengthening behaviour of zirconium-based alloys of the Zr–1.5Sn–1Nb system containing nanoparticles of ZrO₂ (less than 5 nm) is studied in the as-cast (after electro-arc melting) and wrought conditions using X-ray photoelectron spectroscopy, electron microscopy as well as constant-rate tensile tests and differential-stress creep experiments. The obtained results indicate that nanostrengthened alloys at 673 K are more creep resistant than their age-hardened and precipitation strengthening counterparts. Their features have substantial desirable improvements in creep resistance and long-term strength with increasing of ZrO₂-nanoparticles’ concentration in a range from 0.3% to 1.2% due to the greater thermal resistance of their heterogeneous structure. The most probable mechanism of nanodispersion strengthening is assumed similar to known one as thermally activated detachment of interfacial dislocations from dispersoids according to current theoretical Rosler–Azrt–Wilkinson concept. These results could be useful for manufacturing the fuel elements (clad tubes) for the nuclear power engineering.