Изучение изменения структуры циркониевого сплава Э125 после деформирования методом радиально-сдвиговой прокатки

Проведено исследование реологических свойств сплава Э125 (Zr‑2,5 % Nb) в диапазоне скоростей деформации 0,515 с‑1 и температур 20–770 °C. В указанных температурно‑скоростных диапазонах была создана база данных для компьютерного МКЭ‑моделирования. В программном пакете DEFORM‑3D с использованием полученной базы данных проведено численное моделирование сложного процесса радиально‑сдвиговой прокатки. Определены условия, способствующие измельчению структуры сплава в ультрамелкозернистое состояние. По результатам моделирования выполнен натурный эксперимент прокатки прутка из сплава Э125 на стане радиально‑сдвиговой прокатки РСП‑14/40 за семь проходов с диаметра 37 до 20 мм с общим обжатием по диаметру ε = 85 %. При этом, согласно моделированию, общая накопленная деформация в наиболее проработанной периферийной зоне составила 27,5 мм/мм. Ввиду сложного вихревого течения металла распределение накопленной деформации по сечению было неравномерным с градиентом к осевой зоне. Это должно влиять и на изменение структуры. Изменения и градиент структуры были изучены методом EBSDкартирования сечения образца с разрешением 2 мм. Также был исследован градиент микротвердости сечения методом HV. Осевая и центральная зоны образца были изучены на ТЕМ. Структура имеет выраженный градиент от сформированной равноосной ультрамелкозернистой (УМЗ) структуры на нескольких внешних миллиметрах периферийного сечения до вытянутой прокатной текстуры в центре прутка. Показана возможность обработки с формированием градиентной структуры с повышенными свойствами для сплава Э125, а также представлена база данных для МКЭ‑расчетов.

1. Бронников В. А. Ежегодный обзор мирового состояния ядерной промышленности // Атомная техника за рубежом. 2003. № 9. С. 17–25.

2. Millard J. W.F., Dimitrov L., Bajwa D. ACR‑1000 Fuel Channel Developments. Presented at: International Conference on Advances in Nuclear Materials: Processing, Performance and Phenomena ANM‑2006. December 12–16, 2006.

3. Абрамов М. А., Авдеев В. И., Адамов Е. О. и др. Канальный ядерный энергетический реактор РБМК. М.: ГУП НИКИЭТ, 2006. С. 632.

4. Coleman C. E., Cheadle B.A., Cann C. D., Theaker J. R. Development of Pressure Tubes with Service Life Greater Than 30 Years. Zirconium in the Nuclear Industry // Eleventh International Symposium, ASTM STP 1295. 1996. Р. 884–898.

5. Некрасова Г. Ф. Опыт эксплуатации канальных труб в реакторах CANDU. Цирконий в атомной промышленности. М.: ЦНИИ Атоминформ, 1985. № 14. С. 36.

6. Зажмовский А. С., Никулина А. В. и др. Циркониевые сплавы в ядерной энергетике. М.: Энергоатомиздат, 1994. 256 с.

7. Mozzani N., Auzoux Q., Le Boulch D. et al. Mechanical behavior of recrystallized Zircaloy‑4 under monotonic loading at room temperature: Tests and simplified anisotropic modeling // Journal of Nuclear Materials. 2014. № 447. Р. 94–106.

8. Кудряшов С. И., Колобов Ю. Р., Иванов М. Б., Голосов Е. В. Перспективы разработки коррозионно‑устойчивых наноструктурных и субмикрокристаллических материалов на базе титановых и циркониевых сплавов, нержавеющей стали с модифицированной поверхностью // Инноватика и экспертиза. 2013. № 1(10). С. 82–91.

9. Никулин С. А., Рогачев С. О., Рожнов А. Б., Копылов В. И., Добаткин С. В. Коррозионная повреждаемость при КРН испытаниях сплава Zr‑2,5Nb, подвергнутого равноканальному угловому прессованию // Физика и химия обработки материалов. 2012. № 1. С. 74–79.

10. Valiev R. Z., Islamgaliev R. K., Alexandrov I. V. Bulk nanostructured materials from severe plastic deformation // Prog. Mater. Sci. 2000. № 45. Р. 103–189.

11. Galkin S. P. Radial shear rolling as an optimal technology for lean production // Steel in Translation. 2014. № 44. Р. 61–64.

12. Arbuz A., Kawalek A., Ozhmegov K., Sultanbekov S., Shamenova R. Using of radial‑shear rolling to improve the structure and radiation resistance of zirconium‑based alloys // Materials. 2020. Vol. 13(19). № 4306. Р. 1–15.

13. Kawałek A., Dyja H., Gałkin A. M., Ozhmegov K. V., Sawicki S. Physical modelling of the plastic working processes of zirconium alloy bars and tubes in thermomechanical conditions // Archives of Metallurgy and Materials. 2014. № 59(3). Р. 935–940.

14. Kawałek A., Gałkin A., Dyja H., Knapiński M. J., Koczurkiewicz B. Plastometric modelling of the E635M zirconium alloy multistage forging process // Solid State Phenomena. 2015. № 220–221. Р. 808–812.

15. Banerjee S., Mukhopadhyay P. Phase Transformations // Examples from Titanium and Zirconium Alloys. Elsevier Ltd. 2007, Р. 359–374.