Динамическое изменение механических свойств металлических материалов при циклическом облучении тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Введение.

Глава I. Радиационно-стимулированное изменение механических свойств металлов и сплавов.

1. Метод изгиба дисковых микрообразцов.

2. Методика определения механических свойств металлов методом изгиба дисковых микрообразцов.

3. Влияние электронного облучения на механические свойства нержавеющих сталей.

3.1. Аустенитная Сг-№ сталь А1Б1 316.

3.2. Аустенитные Сг-Мп стали.

3.3. Ферритные стали.

2. Радиационная ползучесть алюминия и твердого раствора алюминий-цинк. Ш

3. Радиационная ползучесть сплава Ag-Zn. 114

4. Заключение по главе IV.123

Выводы.125

Литература.127

Введение

Итогом более чем сорокалетних усилий по исследованию влияния облучения на структуру и свойства металлов и сплавов стало открытие целого ряда специфических эффектов, таких как радиационное пористое распухание, низко- и высокотемпературное радиационное охрупчивание, радиационное упрочнение, аномальная радиационная ползучесть. Во многом эти явления связываются с образованием в структуре облученного материала так называемых радиационных повреждений в виде скоплений дефектов, дислокационных петель, пор и т.п. Однако формирование специфической радиационной структуры происходит не только за счет образования новых, достаточно крупных структурных дефектов, но и вследствие структурно-фазовых изменений, происходящих в результате введения в материал избыточной и равной концентрации радиационных точечных дефектов — вакансий и междоузельных атомов, — что характерно для любого вида облучения.

Вызванные пересыщением радиационными точечными дефектами диффузионные процессы могут как приближать структуру материала к равновесию (например, вызывать распад пересыщенного твердого раствора и образование термодинамически стабильных фаз), так и отдалять от него (например, за счет радиационно-стимулированной сегрегации примесей или компонентов сплава и образования термодинамически неравновесных фаз). Все эти эффекты неоднократно наблюдались экспериментально после высоких доз облучения и подтверждены различными методами структурного анализа, в том числе и прямыми электронно-микроскопическими наблюдениями.

Радиационные эффекты изменения свойств облученных материалов имеют явно выраженную дозовую зависимость, установленную в результате многочисленных длительных экспериментов по непрерывному облучению материалов, при этом наибольшее доверие вызывали результаты, полученные после высокодозового реакторного облучения. Все остальные виды облучения, по крайней мере при изучении радиационной стойкости конструкционных материалов, рассматривались лишь как имитационные. Однако в связи с появлением ядерных энергетических установок, работающих в импульсном или циклическом режиме, а также разработкой различных технологий радиационной обработки материалов, возникла необходимость изучения поведения металлических материалов в нестационарных радиационных полях, тем более что появились теоретические и экспериментальные работы, показывающие, что результирующий радиационный эффект в случаях непрерывного и равного по времени циклического облучения различен. В основе такого различия лежит фундаментальный физический принцип невозможности мгновенного изменения состояния системы после воздействия возмущающего импульса или изменения внешних условий. В период времени, соответствующий переходу системы из одного состояния динамического равновесия в другое, все процессы в этой системе будут носить нестационарный характер и сопровождаться динамическими эффектами изменения свойств.

Применительно к проблемам радиационного материаловедения это означает, что вклад динамических эффектов в общее изменение свойств будет пренебрежимо малым при длительном непрерывном облучении, но может стать определяющим при циклическом или импульсном облучении, когда время радиационного воздействия или паузы между ними сопоставимо с характерным временем нестационарных радиационно-стимулированных процессов. Оценки показывают, что времена рабочего цикла реактора термоядерного синтеза с магнитным удержанием плазмы (десятки минут) имеют тот же порядок величины, что и время установления динамического равновесия потоков радиационных точечных дефектов на стоки для большинства конструкционных материалов. Все это делает актуальной задачу изучения динамических эффектов изменения механических свойств металлов и сплавов в условиях циклического облучения.

Для изучения динамических эффектов, связанных с "диффузионной" компонентой радиационного воздействия, наиболее подходящим представляется использование электронного облучения с энергий несколько мегаэлектронвольт. При таком воздействии единственным типом вводимых в материал радиационных повреждений являются точечные дефекты, образующиеся в равномерно распределенных по объему изолированных парах Френкеля, а какие-либо каскадные или трансмутационные эффекты полностью исключаются. Таким образом, все наблюдаемые при таком облучении изменения свойств могут быть вызваны единственной причиной — взаимодействием радиационных точечных дефектов с элементами структуры материала и их отжигом за счет взаимной рекомбинации и на существующих в материале стоках. Так как основными стоками для радиационных точечных дефектов являются дислокации, то особенности их взаимодействия должны сказываться в первую очередь на деформационном поведении материала, определяемом, как известно, движением дислокаций. Соответствующие изменения можно зафиксировать в in situ экспериментах по радиационной ползучести металлов в строго контролируемых радиационных условиях. Ползучесть, как процесс, протекающий во времени, позволяет проследить кинетику взаимодействия дефектов, тогда как вызванные этим взаимодействием радиационно-стимулированные структурные и фазовые изменения часто настолько малы, что не обнаруживаются прямыми методами структурного анализа.

Целью работы является исследование закономерностей и механизмов обратимых и необратимых радиационно-стимулированных процессов в металлах и сплавах, вызывающих изменение их механических свойств при непрерывном и циклическом электронном облучении, для чего были разработаны методики определения механических свойств облученных материалов с использованием дисковых микрообразцов и in situ исследования радиационной ползучести металлов и сплавов в процессе электронного облучения. С их помощью были проведены систематические исследования влияния электронного облучения на механические свойства ряда ГЦК и ОЦК сталей и сплавов и показано, например, что в зависимости от типа примеси внедрения радиационный эффект в углеродистых и азотистых аустенитных и ферритных сталях может быть существенно различным.

При исследовании радиационной ползучести чистых металлов и сплавов, в том числе сталей, с ГЦК и ОЦК структурой в условиях высокоэнергетического электронного облучения был обнаружен и исследован эффект радиационно-стимулированной нестационарной ползучести (РСНП), установлены особенности его проявления в разных материалах при разных условиях облучения. Для его объяснения был предложен механизм динамического преференса дислокаций, действующий в нестационарных условиях установления динамического равновесия потоков радиационных точечных в начальный период цикла облучения и после его прекращения. Справедливость модельных представлений была подтверждена результатами исследования эффекта РСНП в модельных бинарных сплавах в условиях циклического электронного облучения.

Для установления контролирующих механизмов радиационной ползучести были использованы методы термоактивационного анализа, в результате чего было показано, что основным процессом, протекающим при радиационно-стимулированной нестационарной ползучести, является динамическое изменение дислокационной структуры материала, приводящее к перераспределению баланса внутренних и эффективных напряжений. Этот вывод подтверждается прямыми измерениями активационного объема радиационной ползучести в начальный период цикла облучения и после его прекращения.

Практическая значимость полученных результатов связана с использованием развитых в работе модельных представлений о природе эффекта радиационного ускорения ползучести и радиационно-стимулированной динамической перестройке дислокационной структуры для разработки методов подавления нежелательных эффектов накопления дополнительной деформации ползучести в условиях циклического облучения. Применительно к циклическим условиям работы импульсных атомных реакторов и термоядерных реакторов с магнитным удержанием плазмы показано, что вследствие радиационного ускорения ползучести в начальный период каждого цикла облучения в нагруженных элементах конструкции реактора возможно накопление недопустимо большой (до ~5-8%) дополнительной деформации, что способно существенно снизить их надежность.разработанных экспериментальных методов для оценки радиационной стойкости перспективных конструкционных материалов для атомных и термоядерных реакторов.

Разработанные методики оценки радиационной стойкости перспективных конструкционных материалов для атомной и термоядерной энергетики использовались при выполнении программы по исследованию и разработке материалов для термоядерных реакторов (ТЯР).

Применение дисковых микрообразцов для экспрессной оценки механических характеристик сплавов позволяет производить быстрый отбор наиболее перспективных композиций и сократить сроки и стоимость цикла разработки новых радиационно-стойких материалов.

Представленные в работе результаты создают основу нового научного направления: "Динамические радиационные эффекты при циклическом облучении и связанные с ними изменения структуры и механических свойств металлических материалов".

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Исследование нестационарных эффектов изменения скорости ползучести металлов и сплавов в условиях циклического облучения и разработка механизма динамического преференса дислокаций, объясняющего нестационарность ползучести особенностями взаимодействия неустановившихся потоков радиационных точечных дефектов разного типа с дислокациями.

2. Применение методов термоактивационного анализа для выяснения механизмов радиационной ползучести ГЦК и ОЦК металлов и сплавов и оценки характера происходящих при этом структурных изменений.

3. Использование метода изгиба дисковых микрообразцов для экспрессной оценки радиационной стойкости металлов и сплавов.

Выводы

1. Впервые установлено, что при импульсном или циклическом радиационном воздействии возможно проявление динамических эффектов радиационно-стимулированной деформации материалов. В условиях циклического режима работы термоядерного реактора с магнитным удержанием плазмы за счет нестационарных эффектов радиационного ускорения ползучести возможно накопление недопустимо большой дополнительной деформации нагруженных элементов конструкции реактора.

2. В результате исследования радиационной ползучести аустенитных нержавеющих сталей, никеля, железа и сплавов на его основе, а также малолегированного сплава на основе хрома в условиях электронного облучения была установлена физическая пророда эффекта радиационно-стимулированной нестационарной ползучести (РСНП), связанного с процессом установления динамического равновесия потоков радиационных точечных дефектов на дислокационные стоки. Показано, что специфические особенности проявления эффекта РСНП в различных материалах определяются контролирующим механизмом термической ползучести.

3. Для объяснения динамических эффектов изменения скорости радиационной и пострадиационной ползучести предложена модель динамического преференса дислокаций, основанная на учете кинетики установления равновесных потоков радиационных точечных дефектов к дислокационным стокам в нестационарных условиях облучения. Основным фактором, определяющим нестационарность ползучести, является разность подвижностей вакансий и междоузельных атомов. Адекватность модели подтверждена соответствием вытекающих из нее выводов и экспериментально наблюдаемых особенностей проявления эффекта радиационно-стимулированной нестационарной ползучести в модельных сплавах Al-Zn и Ag-Zn, в которых за счет существования междоузельных атомов в различных гантельных конфигурациях их подвижность может меняться в широких пределах.

4. Анализ проявления радиационной нестационарной ползучести в чистых металлах и сплавах с ГЦК и ОЦК структурой показал сложную иерархию процессов структурной перестройки при нестационарном циклическом облучении: динамический преференс дислокаций —> рост диффузионной подвижности дислокаций —> повышение плотности подвижных дислокаций —» дислокационная перестройка —> формирование новой радиационно-равновесной структуры. Вывод о происходящей при радиационностимулированной нестационарной ползучести структурной перестройке подтвержден результатами термоактивационного анализа процессов термической и радиационной ползучести.

5. Разработан метод изгиба дисковых микрообразцов для экспрессного анализа механических свойств облученных металлов и сплавов. Проведенные с его помощью исследования влияния стационарного электронного облучения на механические свойства нержавеющих сталей показали, что основным механизмом радиационного упрочнения многокомпонентных сплавов является распад твердого раствора с образованием мелодисперсных (пред)выделений новых фаз.

1. The use of small-scale specimens for testing irradiated materials. ASTM STP 888. Eds. W.R.Corwin, G.E.Lucas. American Society for Testing and Materials, Philadelphia, 1986, 379 p.

2. Miniaturized specimens for testing of irradiated materials. Proc. IEA Int. Symp. Julich, Germany, 22-23 Sept. 1994. Eds. P.Jung, H.Ullmaier. Julich: Forschungszentrum, 1995, 226 p.

3. Hamilton M.L., Hyang F.H. Use of the disk bend test to assess irradiation performance of structural alloys. In 1., p.5-16.

4. Manahan M.P., Browning A.E., Argon A.S., Harling O.K. Miniaturized disk bend test technique development and application. In 1., p.17-49.

5. Harling O.K., Lee M., Sohn D.-S., Kohse G., Law C.W. The MIT miniaturized disk bend test. In 1., p.50-65.

6. Klueh R.L., Braski D.N. Disk-bend ductility tests for irradiated materials. In 1., p.66-82.

7. Jayakumar M., Lucas G.E. The determination of flow distribution by analysis of indentation geometry. J.Nucl.Mater., 1984, v. 122/123, p.840-844.

8. Dooley M., Lucas G.E., Sheckherd J.W. Small scale ductility tests. J.Nucl.Mater., 1981, v. 103/104, p.1533-1538.

9. Kameda J., Buck O. Evaluation of the ductile-to-brittle transition temperature shift due to temper embrittlement and neutron irradiation by means of a small-punch test. Mater. Sci. Eng., 1986, v.83, p.29-38.

10. Shinohara K., Lucas G.E., Odette G.R. Shear punch and ball microhardness measurements of 14 MeV neutron irradiation hardening in five metals. J.Nucl.Mater., 1985, v. 133/134, p.326-331.

11. Lucas G.E., Odette G.R., Sheckherd J.W. Shear punch and microhardness tests for strength and ductility measurements. In 1., p. 112-140.

12. Куригэ X. Оценка механических характеристик материалов из экспериментов по вдавливанию. Pap. NIFS Workshop Appl. Micro-Indentat. Techn. Eval. Mech. Prop. Fusion Mater. Toki, 1996. Res. Rept. NIFS-proc. ser., 1996, No.30, p.1-19. (яп.).

13. Ямамото Т. Применение метода вдавливания микрошарика в исследованиях деформации разрушения материалов. Pap. NIFS Workshop Appl. Micro-Indentat. Techn. Eval. Mech. Prop. Fusion Mater. Toki, 1996. Res. Rept. NIFS-Proc. ser., 1996, No.30, p.20-33. (яп.).

14. Yasuda K., Shinohara K., Kinoshita C., Yamada M., Arai M. Development of the ultra-microhardness technique for evaluating stress-strain properties of metals. J.Nucl.Mater., 1994, v.212-215, p.1698-1702.

15. Knapp J.A., Follstaedt D.M., Barbour J.C., Myers S.M. Finite-element modelling of nanoindentation for determining the mechanical properties of implanted layers and thin films. Nucl.Instrum.Meth.Phys.Res.B, 1997, v. 127/128, p.935-939.17.