» » Влияние примеси кислорода в натрии на длительную прочность материалов
11.01.2015

Ранее указывалось на усиление коррозионного воздействия жидкого натрия на ненапряженные материалы в результате загрязнения его кислородом. Соответственно следует ожидать ухудшения и прочностных свойств материалов, находящихся в контакте с натрием, содержащим повышенное количество кислорода.
Были произведены испытания на длительную прочность сплава ЭИ869 в натрии с различным содержанием кислорода при температуре 750° С. Испытывали трубчатые образцы с толщиной стенок 0,5 мм и внутренним диаметром 10 мм. Чистый натрий, содержащий около 0,01 вес.% O2, получали фильтрацией на специальной установке. Высокое содержание кислорода (1 и 10% веса натрия, находящегося во внутренней полости образца) достигалось введением в образец до приварки пробки расчетного количества перекиси натрия, которая, как известно, разлагается при повышенной температуре на окись натрия и кислород. Испытание на длительную прочность проводилось при одноосном растяжении образцов по общепринятой методике. Кроме образцов с натрием испытывали, как обычно, и контрольные образцы, внутреннее пространство которых было заполнено аргоном.
Влияние примеси кислорода в натрии на длительную прочность материалов

На рис. 148 представлена диаграмма длительной прочности сплава ЭИ869. Видно, что сплав имеет одинаковую длительную прочность на воздухе и в чистом натрии. He изменяется длительная прочность сплава и при введении в жидкий натрий 1 вес.% O2. Увеличение содержания примеси кислорода до 10 вес. % вызывает резкое снижение длительной прочности материала: степень снижения прочности при таком загрязнении натрия эквивалентна вызываемой повышением температуры приблизительно на 100° С. Построение кривых ползучести показало отсутствие влияния на скорость ползучести сплава ЭИ869 чистого натрия и натрия, содержащего 1 вес.% O2. В натрии с 10 вес.% O2 кривые ползучести столь сильно изменились, что на них невозможно выделить обычные три периода; некоторые образцы в натрии с 10 вес.% O2 обнаружили отрицательную ползучесть. Все эти изменения являются следствием химического взаимодействия сплава с окисью натрия.
Микроскопическим анализом разрушенных образцов установлено, что чистый натрий не вызывает структурных изменений в сплаве (рис. 149). У образцов, испытанных в натрии, сильно загрязненном кислородом, на внутренней поверхности обнаружен слой продуктов взаимодействия сплава с окисью натрия. При просмотре металлографических шлифов отчетливо видно также увеличение числа межкристаллитных трещин и глубины их проникновения в структуру металла.
Закономерности влияния примеси кислорода в натрии на длительную прочность материала, аналогичные описанным выше, наблюдались также при испытании сплава ЭИ765. Снижение длительной прочности в результате загрязнения натрия кислородом отмечено также у стали ЭИ851, правда, и этом случае небольшой эффект наблюдался уже при концентрации 1 вес.% O2.
Влияние примеси кислорода в натрии на длительную прочность материалов

Если сопоставить данные испытаний в натрии с 1 и 10 вес.% O2, то обращает на себя внимание отсутствие влияния на сплав ЭИ869 натрия с 1 вес.% O2 и сильное влияние натрия с 10 вес.% O2. Хотя во внутреннюю полость образцов было введено разное количество кислорода, однако, так как в обоих случаях оно превышало равновесную концентрацию (0,38 вес.% O2 при температуре опыта 750° С), в контакте с рабочей частью образцов находился жидкий металл одинакового состава; избыточное же количество окиси натрия присутствовало в виде второй фазы. Это дает основание считать, что механизм воздействия жидкого металла на материал образца, а также интенсивность процесса в этих двух сериях опытов должны быть одинаковыми. Полученное, несмотря на идентичность механизмов, различие в действии среды на длительную прочность сплава объясняется, очевидно, различием в величине абсолютного содержания кислорода в системе. В самом деле, из металлографического анализа образцов, разрушенных в натрии с 10 вес.% O2, и из кривых ползучести следует, что преждевременное разрушение было вызвано коррозионным влиянием среды — химическим взаимодействием материала образца с окисью натрия. Степень поражения в таком случае зависит от того, какая доля поперечного сечения образца охвачена коррозией, а это, в свою очередь, зависит от количества реагента в системе и от размеров самого сечения. Поэтому для характеристики коррозионной агрессивности кислорода в жидкометаллической системе представляется возможным ввести следующий коэффициент агрессивности:-
Влияние примеси кислорода в натрии на длительную прочность материалов

где РО2 — вес кислорода в системе; S — площадь всей поверхности конструкционного материала, находящейся в контакте с жидким металлом; δмин — минимальный поперечный размер нагруженной части образца (толщина стенки в случае трубчатого образца).
При испытании на длительную прочность в натрии с 10 вес.% O2 в описанных выше опытах коэффициент агрессивности был равен 4,9 г/см3, а при испытании с 1 вес. % O2 — около 0,5 г/см3. Как показывают экспериментальные данные, не следует ожидать влияния кислорода на длительную прочность никелевого сплава при 750° С и статической натриевой системе, если коэффициент агрессивности менее 0,5 г/см3. В то же время хромоникелевая аустенитная сталь ЭИ851 испытывает при 700° С некоторое влияние натрия уже при Kаг = 0,5 г/см3. Проведение экспериментов по определению длительной прочности всевозможных материалов в натрии, загрязненном кислородом, должно дать критические значения коэффициента агрессивности для материалов различных классов.
В связи с полученными результатами необходимо заметить также, что хотя в данной работе применялось весьма высокое процентное содержание кислорода в натрии для получения эффекта снижения длительной прочности, это, однако, не означает, что в любой жидкометаллической системе влияние кислорода будет наблюдаться только при такой же степени загрязнения. Известно, что в крупных установках натрий подвергается тщательной очистке и содержание кислорода в нем поддерживается на достаточно низком уровне. Ho ввиду того, что эффект влияния определяется абсолютным содержанием кислорода в натрии, то и при высокой очистке, но при большом отношении объема жидкого металла к площади внутренней поверхности установки величина коэффициента агрессивности кислорода может быть достаточно большой. При этом, конечно, нужно помнить о существовании нижней границы эффекта — той минимальной концентрации кислорода в натрии, начиная с которой (в направлении понижения концентрации) химическая реакция в данных условиях не идет.