Особенности влияния низкотемпературного нейтронного облучения на микроструктуру и физико-механические свойства аустенитных сталей тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК. ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ МЕТАЛЛОВ

Козлов Александр Владимирович

ОСОБЕННОСТИ ВЛИЯНИЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО НЕЙТРОННОГО ОБЛУЧЕНИЯ НА МИКРОСТРУКТУРУ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АУСТЕНИТНЫХ СТАЛЕЙ.

ДИССЕРТАЦИЯ На соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

01.04.07 "Физика твердого тела"

/ '

Научный руководитель доктор технических наук профессор

В.В.Сагарадзе

Екатеринбург 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................ 4

ГЛАВА 1. Литературный обзор. Современные представления о влиянии низкотемпературного нейтронного облучения на структуру и физико-механические свойства аустенитных сталей........... 6

1.1. Теоретические представления и результаты экспериментальных исследований по влиянию низкотемпературного облучения на структуру аустенитных сталей......................................................... 6

1.2. Использование методов компьютерного моделирования для рас чета структурных изменений, происходящих под действием низкотемпературного нейтронного облучения...................................... 25

1.3. Экспериментальные исследования влияния низкотемпературного нейтронного облучения на физико-механические свойства ГЦК-металлов.......................................................................... 35

ГЛАВА 2. Постановка задачи исследования, материалы и методика

эксперимента................................................................................. 41

2.1. Постановка задачи исследования..................................................... 41

2.2. Характеристики облучения в низкотемпературном канале КНТО реактора ИВВ-2М................................................................... 43

2.3 Разработка методической базы по исследованию физико-механических свойств образцов, облученных при температуре кипения жидкого азота, без их отогрева...................................... 45

2.4. Исследованные материалы............................................................ 60

ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования свойств стали после

облучения при 78 К................................................................ 62

3.1. Влияние низкотемпературного облучения на механические свойства аустенитных сталей.................................................. 63

3.2. Тепловое расширение стали 03Х20Н16АГ6 после низкотемпе-

ратурного нейтронного облучения.......................................... 75

3.3. Изменение электросопротивления и упругих постоянных стали 03Х20Н16АГ6 под действием низкотемпературного нейтронного облучения........................................................................... 81

ГЛАВА 4. Разработка модели описания влияния низкотемпературного нейтронного облучения на свойства аустенитных сталей...... 85

4.1. Количественная модель влияния низкотемпературного нейтронного облучения на микроструктуру, механические и физические свойства аустенитных сталей......................................... 85

4.2. Анализ полученных экспериментальных данных с помощью модели .................................................................................. 104

4.3. Возможные приложения описания изменений физико-механических свойств под действием низкотемпературного облучения........................................................................... 121

ВЫВОДЫ................................................................................................... 124

Библиографический список.............................................................. 126

ВВЕДЕНИЕ.

В настоящее время развивается ряд технических областей, в которых предполагается использование металлических материалов, в первую очередь аустенитных сталей, для работы в условиях действия нейтронного облучения при криогенных температурах (до 4 К). К таким областям относятся использование сверхпроводящих магнитных систем термоядерных реакторов [1], а также создание элементов систем ядерной космической энергетики [2], работающих в том же температурном диапазоне в условиях космического вакуума. При этом, для выбора оптимального круга материалов и обеспечения надежности их работы необходимо уметь прогнозировать их свойства на условия эксплуатации при действии нейтронного облучения с заданными характеристиками. Однако, имеющаяся в настоящее время база экспериментальных данных по изучению в исследовательских реакторах влияния низкотемпературного нейтронного облучения на кандидатные стали и сплавы - недостаточна. Кроме того, условия облучения в исследовательских установках достаточно сильно отличаются от планируемых условий работы, как по характеристикам нейтронных спектров, так и по температурам облучения. Например, облучение материалов магнитной системы при работе реактора ИТЭР, имеет спектральную составляющую нейтронов с энергией ~ 14 МэВ, что существенно отличает его нейтронный спектр от спектра облучения исследовательских реакторов [3]. Аналогичная ситуация складывается и с температурой облучения. Ожидающиеся температуры эксплуатации различных элементов конструкций могут принимать значения от 4 К до 20 К, в то время как исследовательских реакторов, в которых можно было бы провести определение физико-механических свойств изучаемых материалах при нейтронном облучении при 4 К в настоящее время в мире почти не осталось. Возможность нейтронного облучения в петле, охлаждаемой жидким гелием, реализована в реакторе БИМ Мюнхенского университета в Гаршинге. Спектр характеристик, которые можно при этом определить, недостаточно широк. После набора заданного флюенса в ячейке реактора может быть измерено электросопротивление металличе-

ского образца (при 6 - 7 К [4]) или механическая прочность на сжатие или сдвиг (при температуре внутренних слоев образца от 4.5 К до ~ 20 К, в зависимости от толщины и материала образца из-за гамма-разогрева [5]). При этом для проведения одного измерения реактор работает в течение суммарного времени облучения до заданного флюенса и непосредственно проведения измерения, что приводит к большой длительности и высокой стоимости проведения эксперимента.

В реакторе Петербургского университета ВВР-М в Гатчине есть жидко-водородная петля, в которой можно проводить измерение электросопротивления металлических образцов при 4 К по вышеописанной схеме.

Существует ряд программ, по которым разрабатываются (в США и Японии) облучательные устройства, на которых можно будет проводить криогенное нейтронное облучение [6] и определять ряд физико-механических характеристик. Создание этих устройств планируется завершить после 2005 года.

Такая ситуация привела к тому, что банк данных по влиянию криогенного нейтронного облучения на такие физико-механические свойства аустенитных сталей, как кратковременные механические свойства, упругие характеристики, размерные изменения и прочие, - крайне беден.

Теоретические представления по влиянию низкотемпературного нейтронного облучения на многокомпонентные сплавы развиты на данном этапе недостаточно для обоснованной экстраполяции полученных в исследовательских реакторах результатов на реальные условия работы материалов в элементах конструкций. Поэтому актуальным является изучение поведения аустенитных сталей при действии низкотемпературного нейтронного облучения.

ГЛАВА 1. Литературный обзор.

Современные представления о влиянии низкотемпературного нейтронного облучения на структуру и физико-механические свойства аустенитных сталей.

1.1. Теоретические представления и результаты экспериментальных исследований по влиянию низкотемпературного облучения на структуру и свойства аустенитных сталей.

При взаимодействии нейтрона, обладающего высокой энергией, с атомом решетки металла последний может быть выбит из узла решетки [94]. При этом, энергия этого первично выбитого атома (ПВА) может быть достаточно большой, так что при своем движении он, взаимодействуя с другими атомами, будет выбивать их со своих мест, до тех пор пока его энергия не станет меньше пороговой энергии смещения, ниже которой он уже не сможет вызвать образования устойчивой пары Френкеля (междоузлия -вакансия) [7]. Каждый из вторично выбитых атомов, обладающий энергией выше пороговой, также будет вызывать образование точечных дефектов, так что образуется каскадная область, содержащая большое количество точечных дефектов обоих видов (вакансий и междоузлий), состоящая из пространственно разделенных субкаскадных областей повышенной концентрации точечных дефектов. Образование субкаскадов внутри каскадной области связано с тем, что некоторые выбитые атомы, обладающие большой энергией, при выполнении ряда условий могут проходить почти не теряя своей кинетической энергии достаточно большие (>10 А) расстояния (каналирование - [ 8, 9] ), либо передавать энергию с малыми потерями вдоль цепочки соударений (явления фокусировки - [16, 17]). Дальнейшая эволюция субкаскадных областей существенным образом зависит от температуры., определяющей подвижность образовавшихся точечных дефектов. Однако, при любой температуре атомы внутри субкаскадной области в течение определенного времени обладают высокой кинетической энергией (выделившейся при прохождении каскада). То есть

в этой области образуется термический пик [10], существующий в течение определенного времени (~10"12- 10"ис, что составляет около 102 периодов колебаний решетки [11, 95]), необходимого для установления теплового равновесия.

Выделение тепла в виде тепловых пиков и их модификаций вызывает стимуляцию процессов диффузии точечных дефектов в области каскада. В свою очередь это приводит к изменению структуры радиационных дефектов. Усиление диффузии влияет на процесс формирования зоны смещения, способствуя перераспределению точечных дефектов, что может приводить, наряду с явлением кристаллизации областей локального плавления, к образованию зоны смещения с частичным пересыщением вакансиями (обедненная зона). Стимуляция диффузии также сказывается на структуре обедненных и обогащенных (пересыщенных междоузлиями) зон, образовавшихся в области каскада.

Таким образом, различные процессы, происходящие при образовании пиков в результате перераспределения энергии, выделяющейся при торможении движущихся атомов, приводят не только к возникновению областей сильного смещения атомов или тепловых возбуждений в кристаллах, но и вызывают их дальнейшую эволюцию. Остывание зоны смещения сопровождается изменением ее структуры. Диффузионные механизмы способствуют зарождению и росту скоплений точечных дефектов, образовавшихся в зоне каскада. Процессы фокусировки (передача импульса вдоль кристаллографического ряда на большие расстояния) также изменяют структуру и форму скоплений. Все это приводит к образованию более устойчивых дефектов.

Теоретическое описание взаимодействия облучающих частиц с атомами решетки с образованием ПВА и последующей генерацией точечных дефектов в каскадных областях проводится в терминах дифференциальных характеристик облучения, его взаимодействия с атомами вещества и описания ансамбля претерпевших воздействие атомов [7]:

Ф; (Я, е, О, I) - дифференциальная плотность потока облучающих частиц 1 (п- нейтронного, и- ионного, е- электронного);

^(И, е, 1) - энергетический спектр излучения ц

Фпва (&> в, £2, {) - дифференциальная плотность потока ПВА;

Ф (К, 8, 1) - функция распределения движущихся атомов области каскада;

ст(8ь £]") - сечение передачи энергии е" объекту ) ()=0 - вакансия, 3=1 -атом, }=2 - междоузлие) объектом I с энергией 8 (1= 1- движущийся собственный атом, 1= п, и, е -

виды облучающих частиц);

ряд других аналогичных по структуре характеристик, где: И. - радиус-вектор объекта,

£2 - вектор направления (телесного угла), в - энергия, I - время,

жирными буквами обозначены векторные величины, обычными -скалярные.

Для функций, характеризующих атомы области каскада, составляются кинетические уравнения, решения которых затем используются в кинетических уравнениях, описывающих точечные дефекты и их комплексы.

Как правило, это довольно громоздкие системы интегро-дифференциальных уравнений [32, 33, 34, 37, 38], в которые входят не определенные с достаточной точностью характеристики межатомного взаимодействия (потенциалы взаимодействия, энергетические характеристики точечных дефектов и их конфигурации и т.п.). Например, для скорости генерации вакансий go(R, 0 получается выражение

8о £1

©)(к, $ = П1(я, ^аеЛсЮ^и, еь Ои г) 1а80"а(8Ь 80")х[р(£Г 80")

8М 4я О

£о

р(8о")+ р(Ег Во") яСео"^^")]- ПоСИ, ^Йех^ФСН, еь О

81 8М 4Я

№ео"с7(еь 80")я(8г е0")-По(11, 1)х[|л00Ев(К, ЦосЕсА *)] , (1.1)

о

где:

8М - минимальная энергия, при которой цепочка столкновений перестает существовать;

8о - максимальная энергия атомов в каскаде;

П1 - концентрация атомов (в области, задаваемой вектором И в момент

По - концентрация вакансий;

р - вероятность смещения (выхода атома при взаимодействии со своего места без возврата);

q - вероятность возврата атома на место при взаимодействии;

Рдв - вероятность «подпорогового» образования вакансии (когда атом уходит со своего места в виде динамического краудиона);

Цоб, Ц-ос - объемы около вакансий, оставшись в которых динамические краудионы или каналоны (соответственно) аннигилируют с вакансиями;

ёс - скорости образования динамических краудионов и каналонов, соответственно;

Ф(К, 8Ь Оь 1) - функция распределения движущихся атомов области каскада, получающаяся в результате решения соответствующих кинетических уравнений.

Похожую структуру имеет выражение для скорости генерации меж-доузельных атомов. Сложность уравнений и неопределенность многих параметров не позволяют получить их аналитического решения, годного для практического использования. Однако, они могут оказаться полезными при выявлении некоторых качественных деталей, происходящих под облучением процессов дефектообразования. Кроме того, стремительно расширяющиеся возможности использования ЭВМ позволили эффективно развивать для решения кинетических уравнений и теоретического изучения структуры каскадов методы компьютерного моделирования, о чем пойдет речь в следующем разделе.

При теоретическом описании образования каскадных областей практически не учитывают температуру кристалла. Она включается лишь в неявном виде через параметры фокусировки [35], минимальную энергию Ем, концентрацию неустойчивых Френкелевских пар [36] и т.п. Считается, что дальнейшая эволюция каскадных областей, зависящая от температуры, должна описываться на следующем этапе отдельно. Поскольку точного аналитического решения при описании каскадной области получить не удается, то нельзя получить точных начальных условий при аналитической формулировке задачи об эволюции каскадной области. Поэтому изучение процессов возврата проводится тремя путями: изучением аналитических закономерностей в модельных ситуациях, исследованием определенных стадий процессов возврата методами компьютерного моделирования, экспериментальными исследованиями структурных изменений при отжигах облученных материалов. При этом выделяют несколько температурных интервалов, в которых эволюция образовавшихся радиационных дефектов приводит к качественно различающимся последствиям.

При высокой температуре (выше 0.5 от температуры плавления) средняя кинетическая энергия атомов решетки достаточна для активации движения как междоузлий, так и вакансий, так что они довольно быстро рекомбинируют друг с другом, или уходят на другие стоки и концентрация остающихся точечных дефектов равна обычной термически равновесной

концентрации. Существенных изменений структуры и свойств металла при этом не происходит [12].

При температурах, когда вакансии обладают низкой подвижностью, а междоузлия высокой, внутри субкаскадных областей происходит рекомбинация значительной доли пар Френкеля, однако некоторая часть вакансий (в зависимости от температуры) и более значительная часть междоузлий успевают уходить из субкаскадной области. В результате субкаскадная область превращается в локальную область, обогащенную вакансиями [13], которую обычно называют вакансионным кластером, а в матрице увеличивается концентрация вакансий и междоузлий, которые мигрируя взаимодействуют со стоками. При этом, в зависимости от температуры, типов стоков (дислокаций, границ зерен, выделений и т.п.) и интенсивности нейтронного облучения устанавливается определенная концентрация точечных дефектов обоих видов. Образованные вакансионные кластеры могут либо «залечиваться» при поглощении большого количества междоузлий , либо расти (при «подпитке» их вакансиями), эволюционируя в более энергетически выгодный в каждом конкретном случае дефект - дислокационную петлю вакансионного типа или пору. Однако, для такой перестройки вакансии внутри кластера должны обладать определенной подвижностью, что может быть реализовано при температурах выше 0,3-Тпл (Тпл- температура плавления). Существует ряд моделей, в которых образование более устойчивого комплекса происходит во время наложения вновь образующейся каскадной области на уже существующий кластер. При этом времени теплового пика, с учетом энергетической напря