Исследование природы радиационных дефектов, возникающих в аустенитных нержавеющих сталях и сплавах, а также в сплавах циркония при нейтронном облучении тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

о

['0

Московский институт стали и сплавов

На правах рукописи УДК 539.25—620.187

АСТРАХАНЦЕВ Михаил Сергеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИРОДЫ РАДИАЦИОННЫХ ДЕФЕКТОВ, ВОЗНИКАЮЩИХ В АУСТЕНИТНЫХ

ттг*п>т/ д лг^тптгтпчг ¿пт д т»т/ тт птт т» 1 п « ж/ 1ШГ/ЛЛ1Л:И-/1ЦПА ЪДЛЛЛЛ П

А ТАКЖЕ В СПЛАВАХ ЦИРКОНИЯ ПРИ НЕЙТРОННОМ ОБЛУЧЕНИИ

Специальность 01.04.07 — Физика Твердого Тела

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва—1993

Но с г?1

Работа выполнена в Институте Реакторных Технологий и Материалов Российского Научного Пентра "Курчатовский Институт".

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор ГУРОБИЧ Е. А.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор ИВАНОВ А. К.

кандидат технических наук, старший научный сотрудник АГЕЕВ Е. С.

Ведушая организаций: Московский инженарнс-фнзЕчесхиг институт

Защита состоится О^ 1993 г. вУ^часов на за-

седакии специализированного совета К 053. 08. 06. при Московском институте стали и сплавов по адресу: 117936, ГСП-1, Ленинский проспект, д. 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского института стали и сплавов.

Автореферат разослан •¿Г- 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета ■ кандидат физико-математических наук . '

ведущий научный сотрудник ч ''; ч МУКОВСКИЙ Я. М.

Технический редактор С .К. Свеллова Подписано в печать 30.12.92. Формат 60x84/16 Уч.-изд. л. Тираж 100. Заказ 215. Отпечатано в РНЦ ,.Курчатовекии институт"

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Металлы и сплавы, используемые в активных зонах ядерных реакторов, подвергаются облучению высоко-энергетическимн частицами - нейтронами, ионами, у - и <Л - частицами, электронами при одновременном воздействии высоких температур теплоносителя, различного типа нагрузок и т. д. В результате облучения происходит зарождение и рост радиационных дефектов - вакансионных и межузельных дислокационных петель (ВДП и МДП), вакансионных и газонаполненных пор, стимулируются фазовые превращения. Указанные структурные изменения приводят к ухудшению свойств материалов - радиационному охрупчиванию, что отрицательно сказывается на работоспособности и надежности элементов активных зон и реакторов в целом.

В настоящее время основная доля энергетической программы, относящейся к атомной энергетике, реализуется за счет строительства реакторов на тепловых нейтронах, где в качестве материалов конструкционных элементов актиьной зоны реакторов наиболее'распространенными являются сплавы на основе циркония, а также аус-генитные нержавеющие стали и сплавы. Большинство отечественных л зарубежных работ, имеющихся в настоящее время, посвящено изучению поведения материалов под облучением в температурном интервале 450-650"С, характерном для условий эксплуатации оболочек ТВЭЛов и чехловых труб в быстрых реакторах. Данный диапазон рабочих температур, как известно, наиболее опасен с точки зрения ЗТРО и вакансионного распухания. В то же время, существенно мвнь-ие работ по исследованию структуры и свойств материалов, исполь-}уемых в реакторах на тепловых нейтронах, (и, особенно, применительно к аустенитным нержавеющим сталям и сплавам), где они эксплуатируются при температурах ниже 0,3 Тпл, лежащих в диапазоне 250-350Ч1 и флюенсах нейтронов Ф(Е)=(0. 8-9. О)- 102г м л , Е * 0,5 <эВ. В этих условиях облучения, сплавам на основе циркония и »устеннтным нержавеющим сталям и сплавам, не свойственны фазовые фввращения. Поэтому, изменение их физических и механических ¡войств обусловлено, прежде всего, возникновением, радиационных • 1ефектов. В связи с этим, имеет большое практическое значение [зучение радиационной повреждаемости конструкционных материалов 1ктивных зон ядерных реакторов на тепловых нейтронах, а также юад различного типа радиационных дефектов в изменение свойств штериалов. Знание указанных характеристик необходимо для обос-

нованного выбора и создания реакторных материалов с более высокими служебными свойствами.

Таким образом, избранная тема исследования в диссертационной работе представляется актуальной.

В качестве метода исследования был выбран наиболее прямой метод исследования радиационных дефектов - просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ), которая позволяет осуществлять наблюдение кластеров дефектов с размерами «0.5 нм и выше. Кроме того, ПЭМ дает возможность получать ряд количественных характеристик радиационных дефектов, таких как плотность, распределение по размерам и т. д., определять природу и тип радиационных дефектов, исследовать их кристаллографические характеристики.

ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является отработка методик детального исследования радиационных дефектов методами ПЭМ, а также получение данных по радиационной повреждаемости наиболее распространенных конструкционных материалов ядерных реакторов и выявление вклада различного типа радиационных дефектов в наблвдаемое радиационно-индуцированное упрочнение материалов.

ЗАДАЧИ РАБОТЫ. В соответствии с изложенным выше, в задачи данной работы входило:

- усовершенствование и практическое внедрение для массового исследования типа радиационных дефектов наиболее перспективного и высокопроизводительного метода электронной микроскопии -метода 2, 5-мерной Темиопольной Электронной Микроскопии (2, 5-мерная ТЭМ);

- исследование природы и типа радиационных дефектов, образующихся в сплавах циркония и аустенитных нержавеющих сталях и сплавах после облучения в условиях, характерных для реакторов на тепловых нейтронах;

- исследование вклада различного типа радиационных дефектов в изменение свойств материалов под облучением.

НА ЗАЩИТУ ВЬГ'.ОСИТСЯ. Автор выносит на защиту следующие основные положения и результаты:

1) использование усовершенствованной методики 2,5-мерной ТЭМ для идентификации типа радиационных дефектов;

2) экспериментальные результаты определения типа радиационных дефектов, образующихся в исследуемых материалах - сплаве на основе циркония (2г-1%№>) и аустенитных нержавеющих стали ОХ16Н15МЗБ и сплаве 0Х19Н41М5;

3) экспериментальные результаты исследования отжига радиационных дефектов в стали 0Х16Н15МЗБ и сплаве 0Х19Н41М5;

4) экспериментальные результаты по установлению вклада различных радиационных дефектов в упрочнение материала.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА заключается в том, что при исследовании аустенитных нержавеющих стали и сплава, а такие сплава на основе циркония после облучения в условиях, характерных для активных зон ядерных реакторов на тепловых нейтронах, впервые обнаружено, -гго:

1) подавляющую часть радиационных дефектов, образующихся в эустеиитных нержавеющих сталях и сплавах, составляют дислокацион-ше петли вакансионного типа. Показано также, что при температурах облучения(Т обл), лежащих ниже температур порообразования [Т пор), основную часть радиационных дефектов составляют вакан-зионные петли с размерами менее 2 нм, которые, по-видимому, образуются непосредственно в каскадах атомных соударений;

2) при проведении отжигов и исследовании процессов возврата микротвердости в облученных аустенитных нержавеющих стали и :плаве, впервые получены количественные характеристики, отвечаю-ше отжигу радиационных дефектов и дислокационной структуры. При 1том обнаружено, что основной вклад в изменение микротвердости юд облучением (прочностных характеристик указанных материалов юд облучением) вносят ВДП малых размеров нм);

3) обнаружено исчезновение первичной системы вакансионных юр, образовавшихся при облучении и возникновение вторичной сис-•емы газонаполненных пор при высокотемпературных отжигах;

4) показано, что ориентированные одномерные решетки петель, юрмирующиеся в процессе радиационной ползучести в сплавах цир-ония при облучении в условиях, характерных для ядерных реакто-|ОВ на тепловых нейтронах, образованы преимущественно дислока-;ионными петлями вакансионного типа;

5) исследованы ориентационные характеристики одномерных ешеток радиационных дефектов в сплаве на основе циркония;

6) установлено, что облучение сплава на основе циркония од нагрузкой приводит к изменению плоскости залегания и векто-а Бюргерса дислокационных петель.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ. Ряд выводов и результатов иссертациоцной работы имеет прикладное значение:

1) Выполненная работа по усовершенствованию метода 2,5-ериой ТЭМ позволила улучшить разрешение радиационных дефектов а микроизображениях, полученных в условиях дефокусировки объ-ктива. Отработаны оптимальные методические приемы и условия ля массового определения типа дислокационных петель. Данный

з

усовершенствованный метод вошел в каталог методов радиационных испытаний материалов и изделий ядерной техники (ГК ИАЭ СССР, Димитровоград, 1982, 214 стр. ).

2) Экспериментальные результаты по изучению структурных изменений облученных материалов при отжиге возможно использовать для сценки перегрева элементов активных зон реакторов при отклонениях их работы от штатных условий эксплуатации.

ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЙ. В работе исследования проводили на сплаве циркония Н-1 (Zr-1% Mb) с ГПУ- решеткой и аустенитных нержавеющих стали 0Х16Н15МЗБ и сплаве 0Х19Н41М5. Данные материалы применяются в качестве конструкционных материалов активных зон ядерных реакторов на тепловых нейтронах.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты работы докладывались на "XII и XIII Всесоюзных конференциях по электронной микроскопии" (1982 и 1987 г. ,г. Сумы); на"Всесоюзном совещании по электронной микроскопии"(1983г., г. Звенигород); на"У| Всесоюзном совещании по взаимодействию между дислокациями и атомами примесей и свойствам сплавов" (1985г. .г.Тула); на "||| и |V Всесоюзном совещании по радиационным дефектам в металлах" (1983 и 1986 г. г., г. Алма-Ата); на "| конференции "Молодые ученые ИАЭ"(1986г., г. Протвино); на Х|| и Х||| Бакурианской Всесоюзной школе по радиационной физике металлов и сплавов) (1985 и 1986г. г., пос. Бакуриани); на "V||| теоретическом семинаре по физике радиационных повреждений ядерных и термоядерных реакторов"(1987г., г. Харьков); на"Меж-дународной конференции по радиационному материаловедению"(1990г. г.Алушта).

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы. Она содержит 115 страту машинописного текста, 77 рисунков, 4 таблицы и список литературы из 206 наименований.

ПУБЛИКАЦИИ. Автором настоящей диссертации в соавторстве написано 16 отчетов и опубликовано в открытой печати 18 работ по проблеме электронно-микроскопических исследований в материаловедении, из них 13 - по теме диссертации.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ - приводится обзор имеющихся в настоящее время литературных данных по образованию дефектов кристаллического строения в различных металлах и сплавах в процессе облучения электронами, ионами и нейтронами. Особое внимание уделяется формированию дефектов в процессе прохождения каскадов атомных соударений, возникающих при облучении быстрыми иейтрбнами и тя-

желыми нонами. Уделяется значительное внимание процессам образования и дальнейшего роста дислокационных петель вакансионного и меяузолыюго типа (ВДП, МД11, ДП), а также пор в процессе после-радиационного отжига. Кроме того, рассматривается влияние различных радиационных дефектов на изменение физических и механических свойств в процесса облучения и последующего восстановления свойств при отжигах /1-3/.

ВО ВТОРОЙ ГМВЕ - кратко описаны электронно-микроскопические методы анализа типа дефектов кристаллической решетки (вакан-снонной и межузельной подсистем радиацноншх дефектов), в частности, такие методы, как метод наклона, д. Ь- контраста и другие. Особое внимание уделено широко распространенному в настоящее время методу 2,5 - мерной томжжолыюй электронной микроскопии (2, 5- мерной ТЗМ), как наиболее перспективному и производительному методу. Этот метод основан игл смещении темнопольных изображений дефектов кристаллической решетки при дефокуснровании изображений с помощью объективной линзы. Наблюдаемые при этом смещения (по направлению и величине) зависят от величины и знака дн-латащш, вносимых дефектами кристаллической решетки в окружающую матрицу. Для наблюдения смещений дефектов на изображении используются стереокомпараторы, в которых анализируются пары микрофотографий, полученных с различной дефокусировкой. Наблюдаемый при этом стереоэффект не является истинным, что и явилось причиной соответствующего названия метода /4/.

Экспериментально в работе были подобраны такие условия получения темнопольных дефокусированных изображений (расходимость пучка электронов, величина дефокусирования объективной линзы, фотоэкспозиция), при которых потеря разрешения, сопровождающая дефокусировку, является минимальной.

В главе детально описана калибровочная процедура, выполнение которой необходимо для практического использования метода 2,5- мерной ТЭМ при анализе типа дислокационных петель. Поскольку использование этого метода наиболее эффективно при исследовании петель малого размера ( * 30 нм ), для анализа более крупных нетель был использован метод наклона. Общее число проанализированных в работе дислокационных петель составляет более 34000 шт.

В той же главе изложены методические аспекты использования стерео-электронной микроскопии для определения толщины образцов' на исследуемом участке, и в конечном итоге, для количественного определении плотности радиационных дефектов.

Б

Экспериментально и на основании литературных данных,подобраны оптимальные условия для получения стереопар, что позволило снизить ошибку при определении плотности радиационных дефектов до величины • 20 + 30 %.

Результаты методической работы,приведенные во второй главе были в дальнейшей использованы для количественного анализа микроструктуры.

Выполненные в работе эксперименты проводились с использованием электронного микроскопа TEMSCAN - 200 СХ, стереокомпаратора СМ - 4, микротвердомера ПМТ - 3. Приготовление образцов для электронной микроскопии осуществляли при помощи струйной электрополировки на приборе фирмы "Struers".

В работе исследованы сплавы с различным типом кристаллической решетки, нашедшие широкое применение в качестве материалов активных зон ядерных реакторов. Такими сплавами были аусте-нитные нержавеющие сталь 0Х16Н15МЗБ и сплав 0Х19Н41М5 с ГЦК решеткой, а так жо сплав циркония с ГПУ - решеткой. Исследуемые материалы облучались в реакторе MP флюенсом быстрых нейтронов Ф ( Е ) » ( 0.8 * 9. 0) 10ZiM"2 , Е * 0. 5 МэВ при температурах облучения (Тобл. ) 280 * 400-С. Сталь 0Х16Н15МЗБ и сплав 0Х19Н41Ы5 облучались при Тобл. вблизи температуры порообразования (Тпор), которая составляет ЗвО^О^С для стали и 280290° С для сплава. Тобл. соответствовали 360°и 380°С для стали и 330*С для сплава, величина Т =|Тобл.-Тпор. | была не более 50°С.

Для изучения влияния тог9 или иного типа радиационных дефектов на упрочнение, а так^же на восстановление свойств стали 0Х16Н15МЗБ и сплава ОХ19Н41М5 были осуществлены изохронные отжиги облученных материалов в течение 1 часа при температурах отжига (Тотж.) 400, 500, 600, 700, 800, 900 и 1000°С в вакууме 10 торр. За изменением механических свойств после отжига следили по изменению микротвердости. Измерение и расчет микротвердости проводили на приборе ПМТ - 3 по стандартной методике.

ТРЕТЬЯ ГЛАВА посвящена анализу типа радиационных дефектов, образующихся в аустенитных нержавеющих стали 0Х161115МЗБ и сплаве 0Х19Н41М5 в результате облучения быстрыми нейтронами вблизи Тпор. Под Тпор. здесь и далее понимается минимальная Тобл. для данного материала, при которой мотодами электронной микроскопии в нем возможно обнаружить образование пористости (т. е. пор размером =1. 0 нм и более). Тпор. составляет 360'370°С для стали и 280'250°С для сплава .

Указанный вше материалы до облучения были подвергнуты ау-стенизируюцему отжигу. В работе показано, что облучение нейтронами в выше указанных интервалах флюенсов и температур приводит к образованию в обоих материалах, с одной стороны, различного типа радиационных дефектов, что сопровождается увеличением микротвердости Ир на 2300+1400 МРа при исходных значениях 140СМ600 МРа. а с другой - к уменьшению плотности линейных дислокаций с 10<г- * 10° до ю' * 10* мЧ Последнее обусловлено переползанием краевых дислокаций за счет поглощения ими точечных дефектов в процессе облучения.

Ряс I а. Рис I й.

Рис. 1 а,б. Темнопольное (а) и светлопольное (б) элект-ронно-микроскопическке изображения радиационных дефектов: а)-дис-локационные петли в стали 0Х16Н15МЗБ после облучения при Тобл. = 360*С и б) - гомогенно распределенные вакансионные поры в сплаве 0Х19Н41М5 после облучения при Тобл. без отжига (б).Тобл.= 330°С. х 110.000.

Анализ электронно-микроскопического контраста от дефектов, образующихся в данных материалах, был проведен в различных дифракционных условиях при g = (111), (200), (220), (311) и т.д. Установлено, что при Тобл.s Тпор., все наблюдаемые дефекты, в том числе и " черные точки", являются ДП. При Тобл. * Тпор., в структуре помимо ДП присутствуют и поры. Характерная микроструктура исследованных материалов, после облучения при вышеуказанных условиях, приведена на Рис. 1 а, б.

Применение метода дБ- контраста показало, что при облучении как выше, тек и ниже Тпор., образующиеся ДП имеют вектор Бюргерса b = Я/3<111> и плоскость залегания относительно крупных петель (размерами более 10 нм) типа (111), что характерно для материалов с ГЦК - решеткой. Однако_ есть данные, что при Тобл.* 400°С образуются совершенные ДП с Б =а/2<110> и плоскостью залегания ^110^. Б данном случае их отсутствие обусловлено достаточно высокой Тобл. Когда флюенс нейтронов возрастает до Ф(Е) = 1-10" и~г, Е г 0,5 МэБ, концентрация петель растет до 10га + 10" м*> (при Тобл. * Тпор. ) и слабо возрастает при последующем облучении в интервале флюенсов (1+9)- Ю^м"*, Е>0, 5 Мэв. В случае Тобл. *Тпор., плотность ДП составляет (4 и 2,4)-10гг для стали и сплава соответственно, что несколько ниже, чем при Тобл. sTnop..

Проведен массовый анализ ДП по типу (более 30000 шт. ). Разделение ДП на ЩП и ВДП осуществляли методом 2,5- мерной ТЭМ, а для крупных петель - методом наклона. Для каждого типа ДП построены гистрограммы их распределения по размерам, которые приведены на Рис. 2а. При Тобл. «Тпор. в стали основную часть (=90%), составляют ДП вакансионного типа, среди которых также, =90% составляют малые ВДП размером 1+2 нм. Повышение Тобл. приводит к некоторому снижению доли ЦДЛ малого размера среди общего числа петель. В стали при Тобл. = 380°С доля ВДП малого размера сокращается до »80%, а в сплавс при Тобл= 330°С, составляет =70%. Т.е., чем выше разница между Тпор. и Тобл., тем сильнее проявляется эффект уменьшения доли малых ВДП среди общего числа петель. Для всех гистограмм распределения ВДП характерно наличие резкого максимума при 1+2 нм и довольно пологого "хвоста" крупных петель со средним размером 8,2нм. Распределение МДП имеет колоколообразный характер с максимумом при среднем размере 12,5нм. Аналогичные гистограммы распределения Ш наблюдали в Си, Ni. По-мимо ДП,в структуре материалов после облучения, имеются тетраэдры дефектов упаковки размером 20+30 нм вакансионного характера.

Оек&исяонные ПвТЛХ

ю

го^!

|'Ср> 9,2 ям 1586 ВТ

. Ч*|Ш1тТТЫТп»г»«-1 п д..

Ыеауэолышэ йети

лср*12,3 км 223 шт

'I—сш

I

Л

Ч '

1111ПЛШ-

ьо

ГО

а) эо

Лышвтр петель, Д. ПК

Рис. 2 а.

о

ям О

614

«ор* Г0'5

гПЬ

Л1Ш

1й 20

55 нм £яаыетр пор. Л, нм

РИС. 2 б.

о

Рис. 2а,б.Характерные гистограммы распределения по раэые-ам: а)-дислокационных петель вакансионного и межузельного типа сплаве ОХ19Н41М5. Облучение нейтронами при Тобл.» Тпор. ,Тобл= 30°С, без отжига; б)-пор в стали 0Х19Щ5МЗБ Облучение нейтро-ами при Тобл. *Тпор. Тобл. =380°С, без отжига.

Как показывают многочисленные исследования, образование злых ВДП размером 1-4 нм происходит в процессе прохождения кас-зда атомных соударений при схлопывании обогащенной вакансиями энтральной зоны каскада. Крупные ВДП и МДП формируются благодаря 1ффузионным процессам на периферии данной зоны. При Тобл. заметно лив Тпор., наблюдается взаимодействие ДП с образованием сеток »слокаций.Это взаимодействие в стали 0Х16Н15МЗБ наиболее сильно юявляется при Тобл. * 40СМ50'С. В сплаве 0Х19Н41М5 взаиыодейс-

твие имеет место при несколько более низких температурах. Плотность исходных линейных дислокаций в исследуемых материалах npi облучении вблизи Тпор. уменьшается до 1(AiCm г.

Поры, образующиеся при Тобл. г Тпор., распределяются в структуре хаотическим образом и не взаимодействуют с линейными дислокациями и другими типами стоков. Их размер составляет 10,5 и 7нм, концентрация « 6 • Ш2" к3 и 20 • 10го м"3 ' соответственно для стали и сплава. Имеется существенное отличие в морфологии пор, образующихся в исследуемых материалах, которое заключается в том, что поры формирующиеся в стали имеют хорошо выраженную огранку, которая практически отсутствует у пор в сплаве. Гистограмма распределения образовавшихся в процессе облучения пор, показана на Рис.2 б. Полный отжиг этих пор происходит в интервале температур 400+700°С.

Рис.3 а,б. Зависимости среднего диаметра (а) и концентрации (б) вакансионных (а и б петли диаметром «2, Онм и *2нм, соответственно на рис. Зб)и ыекузельных дислокационных петель от температуры отжига. Облучение нейтронами, Ф(Е)=3-10*Г м~2, Е*0, 5МэВ. -о- сплав 0Х19Н41М5, Тобл. =330'С, Тобл. »Тпор. -х- сплав 0Х16Н15МЗБ, Тобл. =380° С, Тобл. »Тпор. — - сплав 0Х16Н15МЗБ, Тобл. =360*С, Тобл. »Тпор.

ю

В связи с тем, что для реакторного материаловедения представляет большой интерес определение вклада того или иного типа радиационных дефектов в наблюдаемое изменение свойств материалов

Рис.4 а. Рис.4 б.

Рис. 4 а, б. Зависимость среднего диаметра(а) и концентрации (б) пор от температуры отжига. Условия облучения и обозначения аналогичны приведенным на Рис. 3 а, б.

в результате облучения, в работе была исследована эволюция дефектов после отжига при Тотж. =4СХЫ000",С. По полученным результатам было проведено сопоставление таких характеристик образующихся дефектов как плотность, размер и распределение по размерам ВДП и ВДП и пор, изменение плотности линейных дислокаций и т.д. в процессе отжигов, см. Рис. 3*7, со степенью возврата микротвердости, см. рис. 7.

Анализ полученных результатов показал, что для всех исследованных материалов облученных в указанной выше диапазоне усло-

вий, возврат ыикротвардости при отжигах коррелирует прежде всего с отжигом ВДП малого размера, образующихся в каскаде атомных соударений. При этом их вклад в изменение микротвердости под облучением составляет 60 + 70% ( в зависимости от условий облучения и содержания никеля ).

При высоких температурах отжига (700 + 1000°С) в структуре стали и сплава было найдено образование вторичной системы пор сферической формы. Их возникновение при отжигах наблюдается независимо от температуры, при которой проводилось облучение - выше или ниже Тпор. Характерной особенностью вторичных пор является то, что они формируются на дефектах структуры -границах зерен,

'ой*.

400

5üu

600

Температура отжига

-о Лад. <™ 500 600 7Ш 800 900

Teweparype отшгв, °С.

Рис. 5. Зависимость процентного содержания вакаисионных петель диаметром до 2 нм от температуры отжига. Условия облучения и обозначения аналогичны приведенным на Рис.3, а,б.

Рис. 6. Зависимость плот-сти линейных дислокаций в стали 0Х16Н15МЗБ после облучения нейтронами от температуры отжига. Тобл. =360*С и 380° С.

дислокациях и выделяющихся фазах - X (Ре-Сг-Мо) и N (Ре-Сг-Мо). Оказалось, что увеличение содержания Ш в сплаве снижает Тпор. вторичных пор до 700*С по сравнению с 900 - 1000° С для стали.

Кромя того, проводилось исследование поведения вторичных пор при отжигах. В частности, били получены зависимости среднего объема пор от температур отжига, Установлено, что в координатах 1п Уср от 1/кТ для пор, как видно на Рис. 8, эти зависимости имеют вид прямых с одинаковым наклоном. Это указывает на то, что образованно пор в стали 0Х16Н15МЗБ и сплаве ОХ19Н41М5 контролируется одним и том же механизмом. Этот механизм, по-видимому, обусловлен диффузией гелий-пакпнсионных комплексов, что способствует формированию газонаполненных пор. Причем образование гелия происходит по (п, р)~ и (п,А)- реакциям. Как известно из литературных источников, энергия активации гелий-вакансионных комплексов составляет 40-50 ккал/моль.

Расчет баланса вакансий и межузельных атомов, содержащихся в порах, ВДП и МД1Г, проведенный с использованием аналитических выражений полученных В. Г. Кашшосом, указывает на то, что при об-

Рис.7. Изменение микротвердости стали 0Х16Н15МЗБ и сплава 0Х19Н41М5 в результате отжигов от 400°С до 1000°С в течении 1 ч. Облучение нейтронами, Ф(Е)=3-10г* м"*, Е * 0, 5 МэВ.

к?/т (V1)

Рис. 8. Зависимость среднего объема поры от температуры отжига в стали 0Х16Н15МЭБ и сплаве ОХ19Н41М5. Облучение нейтронами, при Тобл. =360*,380*С и 330*С ДЛЯ стали и сплава соответственно.

Рис. 9. Электронно-микроскопическое изображение пор, образовавшихся в процессе отжига при Тотж. =1000*С 1 час, в сплаве 0Х19Н41М5, облученном нейтронами. х 44.000.

лучении в условиях, когда Тобл. * Тпор., часть вакансий может находиться в малых кластерах, неразрешимых в электронном микроскопе /5/.

Таким образом, проведенные исследования показали, что в аустенитных нержавеющих сталях и сплавах 0ХШ115МЗБ и 0Х19Н41М5, Упрочнение под облучением вызвано, главным образом, накоплением малых дислокационных петель вакансионного типа каскадного происхождения.

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ изложены результаты исследования радиа-ционно-индуцированных структурных изменений в сплаве 2г - 1%НЬ (Н - 1), имевдего ГПУ - решетку и широко используемого в качестве конструкционного материала активных зон реакторов ВВЭР и

PENK Облучение проводилось до флпенсов быстрых нейтронов Ф(Е)« (0,3*6)- 1СГ и"*, Е « 0. 5 МэВ при Тобл. 290 ♦ 360'С.

Как показали электронно-микроскопические исследования, в микроструктуре сплава Н- 1, в процессе облучения нейтронами происходят существенные изменения. Так, в результате хорошо известного явления радиационного отжига, наблюдается значительное уменьшение плотности исходных дислокаций на 1+2 порядка величины. Кроме этого, имеет место образование радиационных дефектов- дислокационных петель с явно разрешаемой линией нулевого контраста, а также -"черных точек". Анализ изменения контраста от"черных точек" при съемке в различных дифракционных условиях показал, что они также представляют из себя ДП. Размер ДП с разрешаемой линией нулевого контраста составляет"5*26нм, а плотность-(0,5+2)-1041 И*. Их плотность слабо растет с ростом флюенса быстрых нейтронов. Размер "черных точек" составляет »2*8 им при среднем «5ни, а плотность- (0,5*1)-10" м"1.

Было показано, что качественный характер изменения плотности и размеров радиационных дефектов от флюенса быстрых нейтронов и температур облучения хорошо коррелирует с изменением значений микротвердости до «70 + 80% от исходного уровня.

Проведенные электронномикроскопические исследования позволили установить, что в сплаве Zr-l%Nb наблюдается неоднородность пространственного распределения радиационных дефектов, которая проявляется в образовании решеток радиационных дефектов. Анализ показал, что решетки дефектов состоят из дислокационных петель.

В настоящее время известно два типа решеток петель, существенно отличающихся друг от друга /6,7/.

Формирование решеток дефектов первого типа, наблюдалось в исследованных ранее рядом авторов сплавах циркония - типа Цирка-лой и титане, а также в исследованном нами сплаве Zr -1% Nb. Оно происходит в том случае, если в процессе облучения материал не подвержен воздействию внешних напряжений. Обнаруженный нами в сплаве Zr-l%Nb, второй тип решеток дефектов появляется также при облучении быстрыми нейтронами, но только в условиях, когда на изучаемые образцы воздействуют внешние растягивающие напряжения, вызывающие их радиационную ползучесть. Этот тип решеток петель возникал после облучения флюенсом нейтронов nvt=(0,3*7)- 102f м"* в температурном диапазоне Тобл. »290-400'С в зернах, благоприятным образом ориентированных относительно воздействия растягивающих напряжений. При данных условиях облучения деформация ползучестью достигала »1%.Электронно-микроскопическое изображение та-

ких решеток радиационных дефектов показано на Рис. 10.

В процессе исследований обнаружено отсутствие взаимодействия решеток петель с такими дефектами структуры,кгж линейные дислокации, выделения, границы зерен. Кроме того, появление решеток происходит на участках с различной дислокационной плотностью. Как в дальнейшем показали исследования, наблюдение рядов отмечается только в рефлексах типа [ООО!!], а их ¡Управление соответствует <1011>. Дефекты формирующие ряды, как установлено в процессе работы, являются большей частью дислокационными петлями, и реже -"черными точками".

Электронномикросконические исследования позволили установить, что в тех случаях, когда наблюдаются решетки радиационных дефектов в соседних зернах, при переходе через границы зерен и двойники, сопряженно рядов в решетке, как правило, сохраняется, а угол их разорпентировки не превышает 15°от выделенного направления. Вместе с тем, разориеитировка рядов в решетках первого типа может быть произвольной. Более того, оказалось,что направленно рядов с хорошей точностью (»15") совпадают с направлением продольной оси оболочек, из которых вырезались исследуемые образцы. По-шмо этого, било определено среднее значение периода решеток в направлении, нормальном к направлению рядов. Оказалось, что период сильно зависит от Тобл. и составляет 40 * 100ны.

Примененный в работе метод 2,5-мерной ТЭМ дал возможность проанализировать и установить тип Солее 2Ь00 дефектов, образовавшихся в процессе облучения нейтронами сплава 2г-1% НЬ. На основе такого массового исследования были построены раздельно гистограммы распределения ваканснонных и межузальных дислокационных петель но размерам для двух, отмеченных выше случаев облучения материала, Рис 12 а, б.

В результате было показано, что при облучении под нагрузкой (т. е. в режиме радиационной ползучести), в образующихся рядах дефектов содержится *80% от общего количества возникающих дислокационных нетель. Анализ петель, составляющих ряды дефектов, по типу и размерам, показал, что » 70;й дислокационных петель, образующих ряды, являются петлями вакансиошюго типа. В то же время, в тех случаях, когда решетки дефектов не возникают, большая часть дислокационных петель, * 7021, оказывается петлями межуэольного типа. Петли размером ¿16 нм, имеют исключительно межузельныП характер.

Использование различных действующих отражений (гшш[1010], [0002], [1011] и других) при получении тьынонольных изображений, позволило определить ориентацию рядов радиационных дефектов отно

1С

я- •«, - .. • ' • •'.

* \ ч

!

•> Л

V-- . • )

1 •

А ^ : < ч ' ' •

|< ...Г ,____ . : 1

. Чл'» • .• и,.

1Ш.

I»'«]

/

Рис. 10. Светлопольное элек- Рис. 11. Схематическое изотропно-микроскопическое изобра- браженш решетки радиационных женив решетки радиационных дефе- дефектов в сплаве 2г - 1%..КЬ. кто в в сплаве 1г -1Ш). х44.000.

Вак&нсюянив петля «сР* ЮЛ т

ЗР

Нохуэелыше петля ^р* 10,7 ни 6«

То

бб «Г

Рис Л 2а.

о т

1гис,12б.

во хоо

Лиаметр петель, Д, им.

1 . * т

Рис. 12 а,б. Характерные гистограммы распределения дислокационных петель вакансионного и межузельного типа по размерам в сплаве 2г-1%№>: а)-при образовании решеток петель в процессе облучения под нагрузкой; и б) - на участках где решетки петель не возникают, т. е. при облучении в отсутствии внешней нагрузки.

сительно кристаллической решетки материала, а также плоскость залегания дислокационных петель. В результате показано,что рядц(оп-оскости) образующие решетку петель параллельны базисным плоскостям ГПУ-решетки л. -циркония. При этом, плоскость залегания дислокационных петель,образующих решетки при облучении сплава Н-1 в режиме радиационной ползучести, совпадает с базисными плоскостями ГПУ-решетки А-циркония. Такие петли для циркония и его сплавов не являются типичными. Обычно петлевые дислокации в металлах с ГПУ -решеткой.в том числе в цирконии и его сплавах, залегают в плоскостях типа(1120) и имеют вектор Бюргерса Ь=1/3 а-[1120]. Возможность получения хорошего контраста от образующих решетку петель в рефлексах типа <0002> указывает на то, что вектор Бюргерса дислокационных петель содержит С-компоненту. При использованных условиях съемки дислокационные петли, имеющие вектор Бюргерса Ь = 1/3-а-[1120] (образование которых наблюдалось в цирконии и его сплавах при облучении в близких условиях, но в отсутствии нагрузки) не должны наблюдаться, т. к. для них д- Ь =0.

Необходимо указать,что в настоящей работе на образцах, облучавшихся без нагружения, и в зернах, ориентированных неблагоприятным образом по отношению к внешней нагрузке, не происходило изменения плоскости залегания и вектора Бюргерса петель.

Проьеденныо исследования позволили установить, что в случае, если уровни деформации образцов меньше 1%, а флюонсы быстрых нейтронов составляли * (0,3-0,8)- Ю2' м"2 , Е 0,5 МэВ, то происходила смена плоскостей залегания и вектора Бюргерса петель. Однако, решетки петель возникали при более высоких уровнях деформаций (*1%) оболочек во всем диапазоне условий облучения (Тобл-290 + 400°С, = (0, 3-7)'10г<" м4 , Е а 0,5 МэВ). В то же время

их образование наблюдалось только в зернах, определенным образом ориентированных относительно растягивающих напряжений. Л именно,в таких зернах, базисные плоскости которых ориентированы с одной стороны, нормально к поверхности оболочек,а с другой вдоль оси. Исследования показали, что в решетках петель каждый отдельный ряд представляет собой плоскость, более или менее равномерно"заселен-ную"радиационнши дефектами. Толщина этих плоскостей всегда меньше, чем расстояние между ними. Пространственную ориентацию плоскостей можно задать двумя векторами (лежащими в них)-вектором, параллельным продольной оси оболочек и вектором, нормальным к поверхности оболочек. В этом случае решетка петель представляет собой пространственную одномерную периодическую структуру. Схематическое изображение решетки петель и ее ориентация относительно

кристаллической решетки Л-циркония, а также действующих напряжений показаны на Рис. 11. Ранее было отмечено, что образование строчной структуры (решеток) петель в цирконии и его сплавах наблюдалось так^же при облучении в отсутствии внешних напряжений флю-енсамн быстрых нейтронов евшие » 0,3-10 г* м Е а 0,5 МэВ при температурах от 250 до 400°С. Однако, такое облучение привело к весьма существенным отличиям в характере образующихся решеток петель: петли ориентированы в основном нормально к направлению рядов; у петель отсутствует С-компонента вектора Бюргерса, а плоскость залегания петель тина (1120); нет выделенной макроскопической ориентации рядов петель и возникает большая разориентиро-вко рядов при переходе из зерна в зерно; ряды петель образуются во всех зернах. Таким образом, сравнение результатов, полученных в настоящей работе с данным» других работ, указывает на то, что присутствие внешних напряжений влияет не только на изменение плоскости залегания и вектора Бюргерса петель в рядах, но и ня структуру самих рядов. Кроме того, наличие внешних напряжений приводит к подавлению образования решеток петель в зернах, ориентированных неблагоприятным образом по отношению к внешним напряжениям. Приведенные результаты так-оке свидетельствуют о том, что при образовании решеток петель в указанных выше интервалах температур облучения и флюенсов быстрых нейтронов, существенное значение имеет тип кристаллической решетки облучаемого материала. Необходимо отметить, что изменение плоскости залегания и вектора Бюргерса петель при облучении 1г - IX КЬ в присутствии внешних напряжений, по-видимому, контролируется механизмом типа инициируемого напряжениями роста и зарождения петель под облучением.

ВЫВОДЫ.

1. Отработан и практически внедрен для массового определения типа радиационных дефектов метод 2,5-мерной темнопольной электронной микроскопии. Выбраны оптимальные условия получения дефо-кусировонных изображений при минимальных потерях разрешения. В общей сложности данным методом было проанализировано =34000 дефектов.

2. Проведено массовое исследование радиационных дефектов, формирующихся при различных условиях облучения в аустенитных нержавеющих сталях и сплавах. Обнаружено, что основную долю радиационных дефектов, образующихся при температурах меньших Тпор.,составляют дислокационные петли вакансионного типа малых размеров ($2нм). Их образование, по-видимому, обусловлено прохождением ка-

спадов атомных соударений при облучении нейтронами.

3. Показано, что увеличение температуры облучения выше температуры порообразования, помимо образования пор, приводит к снижению доли мелких вакансионных петель (с размерами * 2 им) относительно общего числа возникающих радиационных дефектов.

4. Показано, что в процессе отжига указанных материалов,облученных при температурах несколько превышающих температуры порообразования, поры возникшие в результате облучения, полностью растворяются при отжигах до 500-600°С.

5. Повышение температуры отжига до значений 700°С, приводит к появлению вторичной пористости, которая, по-видимому, связана с наработкой газовых примесей по ( п, р )- реакциям в процессе облучения нейтронами.

6. Установлено, что рост вторичных пор при отжиге контролируется одним и тем же механизмом, как для аустенитных нержавеющих сталей, так и для сплава.

7. В процессе исследований установлено,что упрочнение стали 0Х16Н15МЗБ и сплава 0Х19Н41М5, при облучении нейтронами в условиях, характерных для реакторов ВВЭР и РШК, обусловлено, главным образом, появлением мелких (с размерами *2нм) вакансионных петель.

8. Установлено, что в высоконикелевых аустенитных сплавах порообразование под облучением происходит при сущестиенно более низких температурах, чем в аустенитных нержавеющих сталях.

9. Показано, что при облучиншш сплава 2г-1%ЫЬ (с ГПУ-решеткой) основным тииом образующихся радиационных дефектов являются вакансионные дислокационные петли.

10. Обнаружено, что облучение сплава гг-1%МЬ иод нагрузкой приводит к изменению плоскости залегания и вектора Бюргерса образующихся дислокационных петель. Облучение под нагрузкой сопровождается такжо возникновением одномерных периодических решеток дислокационных петель.

11. Исследована кристаллография одномерных периодических решеток петель, построена их пространственная модель.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Гурович Б. А., Астраханцев М. С., Платонов П. А., Елесин Л. А. Образование одномерных периодических структур радиационных дефа-

. ктов в сплаве циркония с \% ниобия при облучении быстрыми нейтронами в водо-водяных реакторах. //Препринт ИАЭ им. И. В. Курчатова. ИАЭ - 3795/11, Москва, 19ВЗ, 24 с.

2. Гурович Б. А., Астраханцев М. С., Елесин Л. А., Спасский М. И. Ис-

' пользование метода 2 1/2Я темнспольной электронной микроскопии для определения типе радиасиокных дефектов и измерения дилата-иий, создаваемых ими в кристаллической решетке. // Препринт ИАЭ им. И. В. Курчатова. ИАЭ - 3356/14. Москва. 1Э83. 17 с.

3. Гурович Б. А., Астраханцев М. С.,Елесин Л А., Спасский М.Н.Высокор азрешаюшая 2,5-мерная текнопольная электронная микроскопия для исследования радиационных дефектов. //'Зав. Лаб., 3,1984. с. 29+32.

4. Гурович Б. А., Астраханцев М. С.. Платонов П. А., Елесин Л. А. Возникновение периодических решеток радиационных дефектов в сплаве 2г-ШЬ при облучении бкстрыки нейтронами и влияние на них тем пературы и внешних напряжений. //<М«М. т. 61, зьш. 5,1236, с. 922*930.

5. Гурсзкч Б. А., Астраханиев М. С.. Платонов П. А. Особенности накопления к отжига радиационных дефектов, возникающих в аустенитньос нержавеющи сталях при облучении вблизи температуры порообра-зовакяя. //В ян. Тез. 1окл. XIII Всесоюзной конф. по электронной микроскопии, г. Сумк. Москва. Наука, 1987, с. 361-353.

6. Гурович Б. А., Писарев А. А.. Бандурко Е. 3., Зэрава А. В.. Астраханцев !/.. С. Аномальный характер радиационных дефектов в нержавеющих сталях и высококяхелевых сплавах, облученных ионами дейтерия при 400'С.// Атомная энергия, 1989, т. 66. 6, с. 402*405.

7. Гурович Б. А., Капинос В. Г.. Голубев С. И., Астраханцев М. С. Анализ

■ радиационных повреждений в аустенитных нержавеющих сталях и

сплавах, облученных нейтронами в области температур начала порообразования. // Препринт ИАЭ им. И. Е Курчатова, ИАЭ 5029/11, Москва, 1990, 27 с.

1. Кирсанов В. 3. В сб. Дефекты в кристаллах и их моделирование на ЭВМ".-Ленинград, "Наука", с. 134-155, 1930, 214 с.

2. Bohle М. В.-In Radiation damage in reactor materials, v. l.Proc. of a symp., Yienna, 2*6 june, 1969, p. 113+156 K.

3. English C.A. -J.Nacl.Mat., 1982, v.l08*109, p. 104+123.

4. Mitchell J.E, Bell L - Acta Metall., 1976, v.24, p. 147+152.

5. Гурович Б. А., Капинос В. Г., Голубов С. И., Астраханцев М. С. -Препринт ИАЭ им. И. В. Курчатова, ИАЭ N'5029/11. Москва. 1990,27с.

6. Northwood D.O. - Atomic Energy Eeview, 1977, v. 15,4, р.547 * 610.

7. Jostons A. et.al., 3. Nucl. Mater., 1977, v. 66, p. 236*256.

ЛИТЕРАТУРА.