Роль эффектов зернограничного охрупчивания в изменении механических свойств корпусных Cr-Ni-Mo сталей при облучении и пострадиационном отжиге тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

РГВ од

1 7 иосковсгай

ордена оятянрьсжой ревошщ

и ордам трудового красного зшаша

институт стали и сплавов

На правах рукописи НИКОЛАЕВ Юрий Анатольевич

роль эфшстов зерйограначгого охру1шв/шя

в иащшша кешшювк свойств корпусных сг-м1-йо стале!

ПРЯ ОБЛУЧ2НКН К ПОСТРАД1ЛЩСЯНШ ОТЕИГК

специальность 01.04.07 - ,"Фиэика твердого тела"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 1993

Работа выполнена в Институте реакторных технология и материалов РосснИского научного центра "Курчатовский институт".

Научая руководитель: доктор технические ваук профессор ПЛАТОНОВ H.A.

Официальные оппонента: доктор фязн&о-матеыатхчвсшх наук

РАЗУМОВСКИЙ N.M. кандидат фкзкко-математжчеаоа наук ПЕХ&ДКН А.Д.

Ведущая организация: Институт проблем безопасного развитая ЕГГОМНОИ мвргетпи РАН

Зацнта состоится ¿¿/¿/¿л 1990 г. в /¿"^час. на

заседали спецяадкзлроаанного совета X сбз.ое.ое при Московсков ннстпум» ста» а сшивов по адресу: 117986, ГСП-1, ЛгавспВ проспект, д. в.

С днссерташмЖ можно ознакомиться в ОкОлтотехе Московского »статута стала а сплааов.

Автореферат разослан т£т /f/fls* 1993 г.

Ученый секретарь спешшпшрованного совета кахлиагт фвзнхо-математкческнх наук

ведуак* научный сотрудник МУКОВСЮЙ Я.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. Прогнозирование степени радиационного охрупчнвания хорпускых материалов, а также восстановление механических свойств радашионно-охрупченноа стали является в настоящее время одввди из наиболее важных задач радиационного материаловедения. Существенную роль в процессе изменения свойств материала пол облучением и при восстановительных обработках играют граюпш зерен.

Нагрев облученной стали вше температура облучения, повышая диффузионную подвижность тоточких дефектов, является предпосылкой к появление термодинамической неустойчивости различных радиационных повреждений стали к, следовательно, создает условия для восстановления механических свойств. В то ве время нагрев стали ваше 400°С может привести к развитию процессов обратимой отпускной хрупкости из-за образование« зерногранич-них сегрегации примесных элементов, что может сникать зерно-грашгшую когезис и приводить к повшешда критической температура хрупкости. Таким образом, при проведении отжига радиационных дефектов протекает два когкуркрувднх процесса.

Кроме того, адсорбция примесей ва внутренних поверхностях раздела (в частности, ва границах зерен) в твердое телах моает иаблуиться и при более низких температурах в случае облучения материала вдсокоавергеткчесюши частицами. Поэтому, достаточно распространена является мнение, согласно которому образование радиа1ионно-стиыулированных сегрегация примесных элементов рассматривается в качестве одного из наиболее важных механизмов, отвечаших за радиационное охрупчивание стали. Тем ве менее модель, возводящая количественно оценить влияние зерво-граничкоа сегрегации на шханическне свойства материала до сих пор не разработана и, следовательно, роль сегрегированных примесей на практике недооценивается.

В связи с этш при оценке станет* радиационного охрушш-вания материала, а также при проведении пострадаашганнйх отжигов встает задача корректного учата кигетичаских характеристик процесса зерногратгеной сегрогашш прккесних элементов.

Падь работа. Целью ЕастоагээИ работы являлось исследование ъштшя процессов *»жкркстадяргЕ02 виутренвей адсорЗциг на

изменение механических свойств стаж при облучении и восстановительном отжиге. В соответствии с этой целью в работе били поставлены и решены следу попе основные задачи:

- разработка методики оценки склонности низколегированной Сг-ГО.-ИО стали к охрупчмванию при отпуске;

- определение степени влияния структурного фактора (диаметра наследственного аустекитного зерна) на склонность стали к хрупкому разрушению;

- оценка степени влияния процессов отпускной хрупкости на эффективность пострадиационного отжига корпусных сталей;

- разработка практической схеыы оценки радиационного ресурса нихель-содержащих корпусных сталей на основе модели раяиаци-онно-стиыулированного обогащения границ зерен примесями.

Научная новизна. На основе математических моделей процесса внутренней адсорбции разработана методика оценки сдвига температура хрупко-вязкого перехода Сг-Н1-Ио корпусных сталей в зависимости от температурно-вреыенных параметров отпуска, размера аустенитного зерна и содержания в стали фосфора и никеля. Кроме того, учитывалось влияние молибдена-и кремния на кинетику образования зерногранкчной сегрегации.

На основе разработанной схемы было показано, что причиной неполного возврата свойств корпусных материалов при пострадиационном отжиге может являться развитие в стали процессов отпускной хрупкости.

Разработана методика оценки радиационной стойкости ни-кель-содержааих материалов корпусов реакторов.

Практическая значимость. Результаты, полученные в работе, могут бить применены для оптимизации термических обработок крупногабаритных поковок, для прогнозирования эффективности восстановительного отжига корпусных материалов и для оценки радиационного ресурса Сг-К1-Мо корпусных сталей.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены и обсуждены на следу тих конференциях и семенарах: семинар "Повышение свойств конструкционных сталей легированием и термообработкой" , г.Киев, 1989 г.; школа-семинар молодых ученых и специалистов по проблемам фазовых превращений в твердом теле, г.Москва, ЦНИИЧермет им.И.П.Бардина, 1990 г.; научно-технический семинар "Прогрессивная технология и оборудование для на-

греаа заготовок под ковку, штамповку, термообработку. Автоматизация и механизация средств нагрева", г.Москва, 1990 г.; III Всесоюзная конференция "Прочность материалов и конструкций при низких температурах", г.Винница, 1991 г.

Структура и объем работа. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы из 140 наименований, 13 рисунков и 7 таблиц. Объем работы - 97 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В качестве начальной задачи исследования была разработана методика оценки сдвига температуры хрупко-вязкого перехода низколегированной Cr-Nl-tüo стали в зависимости от температур-но-временных параметров отпуска. Разработанная методика основывается на концепции, согласно которой изменение механических свойств при обработке в интервале температур 400-550°С в основном определяется образованием зернограничных сегрегации примесных элементов.

Известно, что одной из наиболее опасных примесей для низколегированных Сг-Ш-Но сталей является фосфор. Наиболее сильное влияние на процесс зернограничной адсорбции фосфора в стали оказывает никель. Таким образом, зернограничяая концентрация фосфора (С^> является функцией по меньшей мере четырех параметров: теыпературно-временного режима отпуска (T-t), концентрации в стали фосфора (С*) и никеля (с"1). Связанная с этим многофакторность задачи делает существующие экспериментальные методы, ввиду их значительной сложности, мало пригодными для определения с£. Наиболее эффективным методом решения этой задачи представляется использование математических моделей процесса адсорбции на внутренних поверхностях раздела.

Для описания процесса обогащения границ зерен примесь» сорта t при температуре Т в работе было использовано выражение, впервые полученное Д. Как Лином:

et; - c£t - <c£t - C*t) eip(v?ft)) er/cMt)) (1)

где

Гг - г1" I

"rol ~ t-«o

Ш

2

c Г ?

er fe (a) « 1 - erf(m) = ■■■ • ezpí ; üx

tx -1

__W

г ir w

vtt) =

1 = / ^

Здесь n - толщина адсорбционной зоны.

Для случая диффузии фосфора ь Cr-Ki-Mo стали типа 15Х2ШФА (МО 0,4-0,6%; V с 0,1»; Сг 1 ,8-2,3%) Ni 1,0-1,5%) величину D можно оценить как коэффициент диффузии фосфора в а-?е, легированном 0,5% Мо, поскольку влияние других легирувдих элементов (Сг и HI) на диффузионную подвижность фосфора значительно слабее влияния Мо к им в пределах марочного состава стали можно пренебречь. В этом случае по данным П.Л.Грузкна и В.В.Ыураля (1964)

D = D0 erpf - Q / RT) (2)

где Dc= 7,12>10~3 м2/с; Q = 258 кДж/мсль. Для Сг-Мо стали г.та 15Х2МФА (Мо 0,6-0,8%; V 0,25-0,35%; Сг 2,5-3,5%; Hi < 0,4%; энергия активации лифузии фосфора Q в (2.5) может возрасти ка 5-7 кДж/ыоль и составить 253-255 кД«/моль. Это подтверждается данными П.Думодина и М.Гуттмана (1980), согласно которым при 0,017 и 0,036!» Р наименьшая склонность к отпускной хрупкости наблюдается в стали, легированной 0,7% Мо.

А.Кумарси н др. (1985) было показана, что кремний оказывает сильное влияние на диффузионную подвижность практически всех элементов, ехсдчиих в Cr-Hi-Ko сталь. Причем кремний не меняет наклона зависимости lr.il'i от 1/Т, а лишь сдвигает ее вверх. Таким образом, кремний влияет лишь на предгкепоненци-альный фактор коэффециента диффузии и не влияет на энергию активации диффузии:

- Т -

D = Dü exp[f(c3l; - о/ет] (3)

С ростом концентрации кремния его влияние на диффузионную подвижность атомов ослабевает, но кэ выходит на насыщение. Поэтому функцию /СС ) в (3) в настоящей работе искали в Еиде

f<cst> = iir4Г <4>

Для определения термодинамически равновесной зерно граничной концентрации примесей бнл испльзован твердотельный аналог изотермы Фауяэрз. в предполоаегош об отсутствии конкуренции меякристаллшюН адсорбции ыевду пахитам и фосфором было получено :

= el е.трСЬОу/кТ) / [ 1 - + С® exp(LGv/kT> 1

(5)

C*ííi= cfeipítú^/kT) / [ J - с®* f cgW¿CH1/M7]

где üGt - теплота адсорбции сегрегируетих атомов на границах зерен, равнзя разнице свободных энергий примеси в о'ъеме и границе раздала.

¿С,п = * рн._р С^р

(5 i

Здесь ДОр ¿Gj^ - ?=плста адсоргцдо Г ;t ¡ii на границах зерен в a-Fe, не содеркащем, соответственно, N1 и Р; PHi_P - коэффициент взаимодействия меаду Р и N1 в процессе сегрегации.

Использование И) и (si позволяет получить термокикети-ческие диаграммы обогащения границ зерон фосфором (рис. )), а тзкяе зависимость термояшаггически равновесной концентрации J.-сфора на г.»*зерекнах границзх от теютгратуры tpu:. 2>.

I. тешодинаштческнх расчета?1, рэвксБе:и:и концентрации ггзуект:* sa границах зерен использовали:* значок«! пграитр-в ¿'jy, =0s 12 сВ и P¡/t.v-*- ^,31 эБ. "„к::?t ст.¡ли к хрупкому разругтю е иг-тг.чгег! рз-*:те

- s -

0.0 ~l-1—I I MIHI-1—I l"lllll|-1—I I I I lll|

1 10 102 103

t(<0

IB монослоях J ^

Рас. 2. Я—cnom ришовмяой эврногрлничной шжцентрвщш фосфора от температуры. 4 - 1.08*"',

- iTîfflKw, 0.01%p. *-Тммй; 0.02%p.

оценивалась по критической температуре хрупкости по ударным испытаниям образцов Шарли с У-образным надрезом на металле плавок Cr-Nl-Mo стали с варьируемым содержанием никеля и фосфора (плавка 1: 1,22% HI, 0,014% Р; плавка 2: 1,35% HI, 0,010% Р; плавка 3: 3,4% N1, 0,010% Р). Испытания проводились как непосредственно после высокого отпуска (сталь в "вязком" состоянии), так и после различных специальных обработок на состояние обратимой отпускной хрупкости (сталь в "хрупком" состоянии). Продолжительность аустенизации материала плавок 1-3 была выбрана таким образом, чтобы диаметр аустенитного зерна составлял ~40 мкм. Данные ударных испытаний этих плавок как в "вязком" (Тк<"вязкое">), так и в "хрупком" (Тк<"хрупкое">) состоянии взяты из работы Г.С.Парка и др. (1983).

Зернограничная концентрация фосфора для всех температур-но-временных режимов отпуска определялась по уравнениям (1) и (S). Зависимость экспериментально определенного сдвига &ТК критической температур! хрупкости (ДТК «> TR<"хрупкое"> -Тк<"вязкое">) от изменения зеркограничной концентрации фосфора &с£, полученной расчетным путем, для плавок 1-3 приведена на рис. 3. Отметим, что ¿с£, определялась как разность между зернограничной концентрацией фосфора (1) после соответствупаей охрупчивапцей обработки и - концентацией фосфора (5) на границах зерен непосредственно после высокого отпуска.

Из рис. 3 видно, что зависимость ДТК от дс£ является линейной. Соотношение между ATR и дс£ , полученное статистическим анализом результатов испытаний, имеет вид:

ЛТК = 304 ДС£ (7)

(7) отражает зависимость склонности Cr-Ni-Mo стали к хрупкому разрушение от режима отпуска. Ограниченность соотношения (7) заключается в том, что оно не учитывает влияния на склонность стали к отпускной хрупкости такого структурного фактора, как размер аустенитного зерна. Чувствительность сдвига температуры хрупко-вязкого перехода к этому фактору при отпуске при 450 и 480°С была показана в С.Такаямой (1980) и А.Поулитом (1981) с сотрудниками.

Таким образом, зависимость (7), полученная на основе анализа гксперзгкеятадьЕах данвкх для аатераала с размерен

эксперимент ^

ш

к

о

_I_I-и.

+1

О

аусташггаого зэрза « -ÍO tcy, ira ггсззт Сэть кспользеааза для ousssiî склошюотн к отгг/схноз груаазстн нн upoiimxavr^x iizszoz основного каталка, ni езт&яяз свлрпвс пзоз, лгл готорах zspzx-тарнэ 60xs3 ексогя рсглзра аустгютетх ззрзз.

Влипав psaspa яасаэ'стазнпого язстсестеого зоpira га кр'гптагауо тспжрзтуру хрупкости Coro цсс.-лловст на огаа&а 4 2 5 (massa 4: f,033 Ni, 0,003% Р; якгзга S: 1,43% ¡TI, 0,01 OS P), прятан цатврхал nxssss 5 1:ссхз.~оа~."сл aas з пгяз-

к0;г тех к в "jpjfekcs" состояжи. рззультатп исссхэлоеггг!

показал <р:гс. 4), тго зашгсикость Т., - îniS/d^), г-з d -дасгзтр нгсаэксгаэнгого сустаЕТП-ого ззрза, а ^ - хгргхтерзаа сэггпазз, равная 1 кет, .таглотса rœfcoii:

Тк - 7 ïn^l/a,) í- f (8)

Bss кино ез р::с. 4, у?~ог.с'± аогфЗзщия? 7 змсстс-ост:: (S) возрастает от влззев 4 (~20) к мазка 5 в "вязгсу" состсз-ehi ("50) и каксикакз для пхгшэ S в "ip/cseu" состоять ("SO). Отсггз угг.огсго когффшхгзЕта дгл пкпох 4 я 5 а "пяз-ш" состопяки яшктзтсй ыэхстЕзза passes равзоЕЭссой scaçgn-трацш фосфора на rpsHioiax ззрзн {рис. 2) прз тежературз онсоеого отпуска (6бо°с). тазкн оОразсл, угяоаоа коэ®®еезп? у являете,i Функцией згрсогрэнчЕой гонцгЕтрацга фосфора и Сагь пояучэа из сырггегкя (7). свободой! чезп t из заахал от ззрзогрзкичЕса г.ощсптрзш'л фэсОсрз, a запнегг zsa от кошозккя «зпфугах адкиетов стаяв.

"аязгн сбразоу, згрЕо?ргэпЕга Еозаезтрахкя фосфора, оярэ-дэляекая шраженндаи il) н (5), с учетов заввсиаостн свяозаог-TS CT3EÍ к xpyasœ.7 рлзруггни) от дяггезтра аустентагого л^з, мочет Gara ввбрага а гггеэстве еяезого кратвряя "жхвизажктаое-ти" рэггааз отпуска:

дгк - 02 Ir. (d/ïîj <Э>

На рис, 5 прзвгзхо ерзавшее рэзу.-ь-гатов гевятагай ¡га-вех 5 и 6 (нивха 1,50S Iii, О,CEOS P> для разжкио: pastapos зеряя (¿нгкэтр аустекнтЕого espsa аарифозалеа a грздвягх 1 "--400 юса) с сеотэгтстЕутви сзлотссзгз, рвссчямшЕз согласно зар^еысэ (Э) в соотсзггтзш с проведзавкя веэзгеи

5, / 1п(с1/<*,

Рис. 4. Звввсяыост» критической температуры хрупкости от величины наследственного аустенитного верна ( о — ппавка 4 в "вязком" состоянии ^ - ппавка 5 в "вявкой" состоянии ^ — плавка 5 в 'хрупком* состояния).

дтк.°с

10 0 дТ -с

эксперимент *

Рис. Ь. Сравнение расчетных и экспериментальных величая сдвига критическом температуры хруп костя для материалов плавок <г>) и 6 (О)

отпуска. Как видно, результаты расчета показывает удовлетворительную корреляцию с экспериментальными данными.

Применение (9) к результатам, полученным при исследовании влияния кремния на склонность Сг-Ш-Мо стали к хрупкому разру-шенню (рассматривались данные, подученные на материалах с содержанием кремния о,2-0,4Х) позволили определить коэффициент А в (4). Анализ полученных результатов показал, что фактор / в коэффициенте диффузии фосфора (3) для стали с концентрацией кремния боьше 0,2% может быть определен как

где А •> 35; С51 - концентрация кремния в стали (в весовых Ж); С^ - 0,31.

Соотношение (9) показывает, что влияние режима отпуска на склонность Сг-М-Мо стали к хрупкому разрушению в основном определяется двумя факторами: размером аустенитного зерна и концентрацией сегрегированного на границах (в результате соответствующего отпуска) фосфора, которая может быть определена на основе математической модели адсорбции на внутренних поверхностях раздела в твердых телах (выражения (1) и (5)) и зависит от температурно-временного режима отпуска и содержания в стали фосфора и никеля.

С практической точки зрения (9) дает возможность прогнозировать изменение критической температуры хрупкости как промышленных плавок основного металла, так металла сварных швов, низколегированной Сг-Ш-Мо (и Сг-Мо) стали после обработки в интервале температур развития обратимой отпускной хрупкости.

Данная методика была применена для прогнозирования эффективности восстановительного отжига материалов, подвергнутых облучению в АЭС. Всего были исследованы 12 партий материала, в том числе 7 материалов сварных швов безникелевой стали 5 партий никель-содержащего материала (2 партии основного металла и 3 партии металла шва). Содежание никеля в стали колебалось в пределах от 0.12 до 1.60%, фосфора - от 0.007 до 0.055%. Все партии металла были облучены в реакторах АЭС при температуре

(10)

= О

'3<

270°C-2S0°C, щшак зе2Ч8Нея ©e»sca нейтронов баш в прэдйлзх Oï S'1023 до 1.2М024, к"2.

ftszzza, noj^sx^sa А.Д.Амгзьаз!, À.U.KpESOBsi, Ü.A.COKOJIO-шг! îi ;g>. (1930) upa отшсгз еазшгайанх стаггй, Ер^знякггдхсн тз шготоасзигя корпусов рзгетороа типа ЕВЭР-440, свгшэтель-ствуе? о той, тго Еосетоиокгг&яьниэ процессы проходят укэ цра serpeas ("70°С) nsxepaans екиз те!Л1эргту]Х1 оЗлуозша. Iïpscsa бша едзозначно пкгазшо, что степзпь вос-етеюелгшй îj, растет по шрэ увадаченая тскюратура и дви-тедшока oracra. Этот подгваргцизт концепцц», связнва-

Ему» возврат кйхашггаежЕХ caoîicra кгтерьалз при откиге с ди^узгошш рзшадаа к Еоагу.шая2 териодаагякзсю: шустой-чыгах рагдаааои^онжшулкрошззЕШЕзх ЕадэвгЕкй.

Согласно тшд sa дедпя, хфи отеигс Cr-üo стаес с шзгза: сойзргшшм пртггсей црл 460°С в течешь 72 часов í ¿осгЕгаэт ao'íTO 1Q0K. В связн с znz.i дсскци pessi бил EiíSpsxi в качества бязевого для оцзвка стогелд вещная процессов зоргсгргкичкого ощш^иашЕш; при сшускз ка еффаетивность восстакоЕстсльного О mu-a. {4=ÍATF-áT¿C7'J/ATF -i 00%).

■3££зтка, что шбрзнкнй pseei 0тщ?с£2 1îqsgt epes3ctk к ssnojsoir/ ecccï£hoe-ji8ssd cboîlctb ksk в случ£э otehts esääxb-

coÄspaass CTaJtsí!, таи u в случаз беззккалзвах статей с шгсо-кк5 coxs-psaeeoii принзсей. Зто попет быть essbsso тегд, что па-грзв вала 400°С ноеот прггазети к разеютш процзсса обраткной отпускной spynaocsss. Егз. известно, атот процзсс характеризуется образованЕС-а гвраогргагизах согрегашй гцяаасшх эжвкеигоа, что сгаяшег зйраогргначну» кш-езаэ и пртшот £ пошеенка кр::-тйчжсяой тв«я»ратура хрупкости. Tarnt образоа, içss отжиге, щрлд? с проц-зссон ргзупрожггая ищеш зерва, зркводясаку к ютэдекш» твншратурк зф**зко-2язг:ого перехода, кожет протекать ьэнкур|фував2 процесс, свтшхтМ. с кс-ьзЕонгеи хфктнчеда>£ seu-Hspatîfps хрусгостк spa образовании ьгрнсграшчяых сегрегации пркмзснцх влзмзктов.

Развитая а работе asToarxa дает вэзхэхвосга прогнозировать яэhshobks KpKTsr-iecscl тггтаратуре хрупкости Cr-ííl-Ho к С г-Ко стаж nocfô o6pa5oí<s в '¿терй&ж Tsnî»pat«p ра^аатия üS-payâmîî oîPvcKse.? jroyssocrs. что î?jc?Tasa н тердазш-

kí rrsz процесс« se^iOPaE^sofi rîrpsrscsj ""тчеш^х в

облучения и нгоСлученЕнх. материалах иоает иметь некоторые отлитая. Это шкет бить связано как с образованием устойчивых радиационно-стимулированных фосфор-содеряащх выделений, так и со слознш взаимодействием процесса зернограшчной адсорбции с процессети, связанными с отжигом радиационных дефектов.

Как видно из рис. 6 а 7, значения £ и ДТЯ, получзннш с помозьп шрааепия (9), хорошо коррелирует с экспернцзнтальншги ргзухьтатггн, полученная* при отзиге ннкель-содерзЕзах аатерц-алов корпуса рэактора ЕВЭР-1СОО и безнихаяавнх материалов корпуса реактора ЕВЭР-440. Полученный результат свидетельствует о независимости зернограничннх (процесса отпускной хрупкости) и шутризараяных процессов (процессы разупрочнения твердого раствора) при пострадиационном ответе. Такни образом, при впборэ температура и продолжительности восстановительного отгига корпусов атошых реакторов следует учитывать возможность развитая в материале процессов отпускной хрупкости, зффэктившм способом оцэнкн которшс является описанная в работе иэтоддка.

Нейтронное облучение, генерируя большое число элементарных дефектов, вызывает значительное повышение концентрации вакансий в стала. Поскольку фосфор как приаесь закепения, диффундирует по ваканснонному механизму, его диффузионная подвна-ность под действием облучения должна повыситься.Повышение диффузионной подвижности фосфора, в свою очередь, может привести к ускорению обогащения фосфором границ зерен.

Для оценки кинетики радкационно-стимулированной сегрегации фосфора достаточно оценить величину коэффициента даффузии фосфора в стали Б*, обусловленного только наличием в стали термических и сверхравновесных вакансий, генерируемых облучением. Вкладом других механизмов радиационно-стимулированной диффузии в данном случае косно пренебречь.

Исходя из сказанного, можно представить коэффициент ради-ационно-стимулированной диффузии фосфора Б* как сумму двух членов

1? .

где В* и - коэффициенты диффузии фосфора, обусловленные, соответственно, наличием в стали равновесных (термических) и сверхравновесных вакансий, вызванных облучением.

50-

л Е*

В

Ф

а о А И

к

О

0)

0 50 100

эксперимент (проценты)

Рис. 6. Корреляция иежду расчетными в эксперв— мсвгалышмн величиною эффективности востано-вительного отжига корпусных материалов.

АТк,°С 40-

30-

«

К Р. О 0)

20-

10-

о/ о

о/

8 /

о/Ь

(X 0

0

10

г

40

Ркг

20 30

эксперимент

7. Коррелядаз никв^дг рмчтаг^г^я, к вадае-

дтк.с

рзжхЕПЧшшшод! ЧРЙЛШ е^тдгс--—•*>«•. пс ¡»"а

ЧШ«ч9«в{с щшхсг« здвллчдемх

ааи^&пййа» псте кжзк&лшгрдог то пг-ц/ог^.

- 17 -

определяется (2Ь(3). мохно оценить следугаям образом.

Коэффициент самодиффузии в случае вакансионного механизма

определяется выражением

^ <11>

где 1 - фактор корреляции (~1), л - длина перескока, vv -частота перескоков, Су - концентрация вакансий.

Соотношение (11) может быть использовано и для диффузии примеси замещения. Конечно, вблизи атомов примеси концентрация вакансии с; я частота их сачков »; могут превосходить средние по объему значения. Тем не менее коэффициент диффузии примеси пропорционален концентрации вакансий в чистом растворителе С1}, так как величина С^ зависит от энергии образования вакансии в чистом растворителе в' :

с; - еч>[-(< - Яр.,)/»] ' с„ / »]

где Вр^ - энергия связи атома фосфора с вакансией. Поэтому для коэффициента диффузии фосфора справедливо соотношение

1$ - С (12)

Коэффициент С зависит от температуре, подвижности вакансий и параметров взаимодействия атомов фосфора с вакансиями.

Используя (12) и обозначив концентрацию термических вакансий с*, а концентрата» вакансий, генерируемых облучением, со, можно записать

о* - С «£ ♦ Св) (13)

При условии отсутствия в материале сверхдоновеснях вакансий получим:

с»/ (Н)

Концентрация термических вакансий определяется энергией их образования:

Crv = C^ expf~Ef/kT>

где- 1гредэкспоне.ч!з:£льнкй множитель С* * I. B настоящей работе для Сг-К1-Мо '.! ?г-Кс сталей Б* была выбрана равной 1,6 эВ.

Кокиэнтраи'.-. :ьер?.р2Ш0Ееснах вакансий С , о5уеяаымва-таая, с:: ласк; коэффициент диффузии пркмеси в условиях

кепреркькс-и генерации точечных дефектов под облучением, определяется условиями и механизмам; аннигиляции последних.

Еыранекие, списывавшее распределение точетаых дефектсв ß ,р-£ для междоузелыих атсмоЕ к ß=i> для вакансий) в материале ь стационарной случае (5Сд/<3t=D :■, может быть получено в виде

Г'р diu grad Cß - a Dß Cp - ¡л Dt C£ Cf) t- G =0 (15 *

Здасъ G - скорость генерации облучением пар Френкеля; член aDpCß определяет скорость стока на дислокации (Dß - коэффициент диффузии точечного дефекта, С^ - его концентрация, г а -фактор, соотвэтстст-аушик плотности дислокаций в зерне); член ^iüjCjCjj характеризует процесс рекомбинации вакансии к междоу-зелькых атомов, причем

где Г; - атошый объем, и К -эффективный радиус спонтанной рехомбкнащш, равный арифметическому среднему по расстояниям от центра зона спонтанной рекомбинации до поверхности зоны рекомбинации вдоль различных кристалл:графических направлений. Фактор ц /ля тешергтурн ?,ЭЭ°С, характерней для гкеплуатащп! корпусов типа Б5ЭР, можно оценить как 3,2-10"

При рассмотрении границу кгк нена:к;ц>?\'-гс стока течечюое дефектов, ревеню (15) числе икы>.'й мет.дай' дг&ч ширину переходной обгаста Н (кеаду сС««г:* и ггзнпадй••, а кстогси концентрация гаханагЛ суше :?=ен«о п:н:г'?н,» г - .-»дотек? ока нз границу зерна, кревэЗрелкрэ т/лл:п {порядка аеск:гльнх ::т-;-ч жгстреи) по срзэнеикс с г-гзмгг::•< зег-ял. К сзпги •: -.та-, гр« иабрегая ь С15) "тскгу v-* -есен. г-г-ах-гч^ /•иигл траста Егх.^нсий - .-к- ыие

" 3 * а- * 4 ГаС/Ю„1

С = ----(16)

и 2 Ц

Коэффициент диффузии вакансий в (12) может быть определен как - ^ «р[ - / » ]

где 1)^ * 0,5 О О"4 мг/с [41], Е^ - энергия активации миграции вакансий. В настоящей работе для оценки энергии образования вакансии использовалась величина Е^ = 1 эВ.

Таким образом, для оценки кинетики процесса радиационно-стиыулированной сегрегации фосфора на внутренние поверхности раздела в а-железе можно использовать зависимость (1), характеризующую процесс зернограюгаюй адсорбции примеси, с заменой термического коэффициента диффузии (2), (3) на коэффициент ра-диационно-стимулированной диффузии (13), (14) с концентрацией сверхравновесных вакансий, генерируемых облучением, (16).

Для оценки радиационно-индуцированного сдвига критической температуры хрупкости (ДТ?) нинель-содержашх материалов корпусов реакторов была использована следующая зависимость

дгу - ат* - лф * (17>

Здесь йТ* - сдвиг критической температура хрупкости в результате радиационного охрупчивания, полученный методом регрессионного анализа базы экспериментальных данных по облучению безникелевых сталей В.И.Левитом. Для материала сварных швов и основного металла были, соответственно, предложены зависимости (18) и (19):

ЛТ* =1,84 I0'583 * 704 Р р0'0633 + 4590 Р Си Т°>241 (18)

ЛТ* -},341°'71-29,41 Р 1°'ТЗ-0,21Си10'8б*113Э0 Р Си 11 (19)

ЛТ^"*4 и йт£ - теоретически рассчитанные сдвиги критической температуры хрупкости, соответственно, с учетом и без учета синергетического взаимодействия фосфора и никеля в процессе зернограничной адсорбции. и оценивились в соответ-

ствии с зависимостью (1) с коэффициентом радиационно-стимударованной диффузии Б*, определенным (13) с использованием (3), (14> и (16).

Проверка достоверности зависимости (17) была осуществлена на 45 экспериментальных значениях, полученных при облучении 30 составов материала сварных швов и основного металла, химический состав исследованных материалов варьировался в следующих пределах Р - 0,006-0,026», Си - 0,03-0,26*, N1 - 0,9-1,96*. - 0,2-0,4$. Флвенс и результаты облучения изменялись, соответственно, в пределах У - 0.3-15И023 м-2, ДТр - 5-145°С.

Сравнение экспериментальных результатов облучения и результатов, предсказашх (17), приведено на рис. 8.

Отметим эффективность оценок коэффициента диффузии фосфора (3), (10). На рис. 9 приведено сравнение экспериментальных данных с результатами, полученными из (17) с использованием только (2) для оценки термического коэффициента диффузии в зависимости (14) и коэффициента диффузии (3), (10).

Выводы.

Исследование изменений механических свойств низколегированной корпусной стали вследствие тепловой обработки в области температур 420-510°С, а также в результате облучения при 270-2Э0°С позволяет сделать следующие выводы:

1. Отпуск усиливает тенденции стали к хрупкому разрушению' благодаря образованию на границах зерен сегрегации фосфора. Это проявляется в появлении сдвига темпетатурн хрупко-вязкого перехода.

2. Тенденция стаж к хрупкому разрушению определяется двумя факторами: размером аустенитного зерна и зернограяичной концентрацией фосфора.

3. Зернограничное охрупчивание стали хорошо описывается простой аналитической формулой, связывающей температуру хрупко-вязкого перехода с зернограничной концентрацией фосфора и размером аустенитного зерна, которая позволяет прогнозировать склонность стали к отпускной хрупкости.

4. Восстановительный отжиг облученной стали приводит к неполноиу восстановлению механических свойств из-за развитие <*

Рве. 8. Сравнение экспериментальных результатов обпучвнна нвмль-содержащвх, материалов с результатами предсказанными (17).

Рис. 9. Квррелацна ыезкду экспериментальными а расчетных* реаулдеаташ облучая*» вря мюиомш в (17) кооффящмавта даффуыы фосфора аавяопцвго (о) в не зависящего от хояцвятращп крвашш.

материале отпускной хрупкости, причем остаточный сдвиг критической температуре хрупкости описывается той же самое зависимостью, «то я для оценки тенденции иеоблучеяноИ стали к хрупкому разрудаинв при отпуске!

5. Разработала схема оценки раяЕДЦИонной стойкости ш-кель-содврвавнх короусннх сталей. Покаseso, что влияние никядя sa охрупчивакиэ материала при облучении определяется его взаимодействием с фосфоров в процессе зерногввкчвоИ адсорбции.

. *

Основные результате днссертагда оауошимш в следупюх печатных работах:

1. Kikolaeva i.V., Hlkolaey Yu.A., KryuScor A.B. Estimation of . grain boundary enbrittleoent due to reactor pressure vessel eimsaling. - ïrass. KSI-3-93. Hoecow: nuclear Sefety Institute, January 1993. - 9 p. г. Kaps Г.С., Николаев D.i.. Десегрегация прююсев с границ зерен и восстановление свойств облученной стали típa отжиге. - В кн.: Улучшение свойств сплавов легированиям и термообработкой Киев, 1989, с. 3S - 97.

3. Нааолгев Е.А., Блоеко С.К. Влшшке нейтронного облучения на склонность к образованию сегрегация фосфора на границах зерен в Сг-Ш.-во сталях. - В кв.: вазовае превращения. И.: 1990, с. 44.

4. Николаев Ю.А., Бложко С.Н. Т^жодишвшческие особенности образования ззрногршшнх сегрегации фосфора в Сг-И1-Ко сталях в результате облучения. - В кв.: Прогрессивная технология и оборудование для кагревд заготовок под ковку, атвашоЕку, теркооергСотху. Автоматизация и механизация средств нагрева, г.: 1990, с. 119.

5. Заездка D.H, Шшолаэв D.A., iyp Д.М. Влияние режима отпуска иа зврногрзшчиу» коЕцевтраш» щшвогах мшентов в Cr-ï(l-Мо кораускоЁ стаж. - В кн.: Прочность материалов к ков- , струющй при шшкх температурах. Виев, 1991» р. 62.

6. Артемьев A.B., Еэкалоа Ю.Х., Николаева A.B., Нкколаев D.A., Блоаво С.К. Агатах структура m элавтрокние свойства сяецд-

грашщ зерен. - ïpfsa ЩШШ!, 103!, s 223, У., с. 68 " 77•