Влияние деформации и облучения на структурно-фазовые состояния и механические свойства нержавеющих сталей, стали 110Г13Л и сплава 36НХТЮ тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

на правах рукописи

005046635

Русакова Алена Викторовна

ВЛИЯНИЕ ДЕФОРМАЦИИ И ОБЛУЧЕНИЯ НА СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫЕ СОСТОЯНИЯ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НЕРЖАВЕЮЩИХ СТАЛЕЙ, СТАЛИ 110Г13Л И СПЛАВА ЗбНХТЮ

01.04.07 - физика конденсированного состояния

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Барнаул 2012

005046635

Работа выполнена

в Алтайском государственном техническом университете им. И.И. Ползунова

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук, доцент

Алонцева Дарья Львовна

Официальные оппоненты:

Баранов Михаил Александрович, доктор физико-математических наук, профессор Алтайский государственный университет, профессор

Клопотов Анатолий Анатольевич, доктор физико-математических наук, профессор Томский государственный архитектурно-строительный университет, профессор

Ведущая организация:

Сибирский государственный индустриальный университет (г. Новокузнецк)

Защита состоится 15 мая 2012 г., в 11ш на заседании диссертационного совета Д212.004.04 при Алтайском государственном техническом университете им. И.И. Ползунова по адресу: 656038, г. Барнаул, пр. Ленина, 46; e-mail: veronika_65 @mail. ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке

Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова

Автореферат разослан « » 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета / Романенко В. В.

Примечание: отзывы на автореферат, заверенные печатью организаций, просим присылать в 2-х экз. на адрес университета и e-mail: veronika 65@mail.ni

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Развитие современных отраслей машиностроения, приборостроения и энергетики (в том числе атомной) выдвигает новые требования к конструкционным материалам. Наряду с традиционным направлением повышения прочности и надежности сталей и сплавов в реакторостроении появляются новые задачи, связанные с необходимостью обеспечения не только радиационной стойкости, но и сложного комплекса физико-механических свойств. Например, в ряде случаев высокая прочность должна сочетаться с хорошей обрабатываемостью, коррозионной стойкостью и др.

Одной из важнейших задач при разработке высокопрочных нержавеющих сталей аустенитного класса для термоядерных установок является повышение уровня пластичности и вязкости. Это достигается путем учета таких факторов как возможное мартенситное у—>а-превращение при деформации ц/или облучении. Также актуальна проблема прерывистого выделения фаз в дисперсионно-твердеющих сплавах, имеющих широкое применение в приборо-и машиностроении. Таким образом, необходимо предусмотреть возможность изменения механических свойств сталей и сплавов в процессе эксплуатации деталей вследствие структурно- фазовых превращений.

В этой связи исследования, направленные на изучение морфологии и кинетики распада аустенитного твердого раствора под воздействием деформации и облучения, на установление закономерностей у-*а-превращения в реакторных метастабильных сталях являются актуальными и, возможно, позволят разработать физические основы для создания новых радиационно -стойких конструкционных реакторных материалов.

Цель работы: установление закономерностей процессов фазовых превращений, инициированных деформацией или облучением в различных конструкционных материалах и выявление связи между изменениями их структурно-фазового состояния и механическими свойствами.

Для достижения цели работы необходимо решить следующие задачи:

1. исследовать влияние ионного облучения и деформации на у—>а -превращение и выявить основные механизмы радиационного упрочнения металлов и сплавов с различной энергией образования дефекта упаковки (ЭДУ);

2. определить зависимость механических свойств и структурно-фазового состояния сталей 110Г13Л и 20X13 от малых допустимых отклонений их химического состава;

3. установить основные закономерности влияния электронного облучения с определенным флюенсом на структурно-фазовое состояние и механические свойства сплава 36НХТЮ.

Объектом исследований являлись аустенитные нержавеющие стали 12Х18Н10Т и Х15АГ14, технически чистые металлы: Бе, №, Мо, марганцовистая сталь 110Г13Л, сталь 20X13 и дисперсионно-твердеющий сплав 36НХТЮ.

Предметом исследований являлись: а) закономерности и особенности фазово-структурных превращений в деформированных и облученных конструкционных материалах; б) изменения структурно-фазового состояния аустенитных сталей (110Г13Л и 20X13) в зависимости от небольших изменений их химического состава.

Методы исследования: механические испытания на одноосное растяжение и микротвердость, металлографические наблюдения, измерения намагниченности. В качестве основных методов структурного исследования применялись просвечивающая и растровая электронная микроскопия, атомно-силовая микроскопия (АСМ), рентгеноструктурный фазовый анализ.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые экспериментально установлены основные закономерности фазово-структурных превращений в сталях 12Х18Н10Т и Х15АГ14 при облучении высокоэнергетическими тяжелыми ионами №"\WC+) и при этом:

1. В результате воздействия ионами "Кг"4 на нержавеющую сталь 12Х18Н10Т (без дополнительной деформации) обнаружен эффект «мартенсита облучения» в связи с чем наблюдали эффект радиационного упрочнения, связанный с образованием мартенситной а - фазы;

2. выявлено, что даже небольшие отклонения химического состава сталей 110Г13Л и 20X13 от стандартного могут привести к существенным изменениям их фазового состава;

3. на основании проведенных экспериментов показано, что электронное облучение (Е=2 МеВ, 1-Ю19 е/см2) по-разному воздействует на образцы сплава 36НХТЮ, с различной предшествующей термомеханической обработкой: закаленные образцы испытывают радиационное упрочнение, а в прокатанных и состаренных образцах повышается пластичность облученного материала с сохранением прочности за счет ускоренного выделения частиц т| - фазы в у-матрице, сопровождающегося измельчением у-зерен.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты исследования структурно-фазовых превращений и механических свойств нержавеющей стали 12Х18Н10Т, облученной высокоэнергетическими ионами ?6Кг*";

2. Закономерности влияния облучения тяжелыми ионами WC на мартенситное у—»а превращение в нержавеющих сталях (12Х18Н10Т и Х15АГ14) и особенности радиационного упрочнения металлов и сплавов, облученных высокоэнергетическими тяжелыми ионами;

3. Зависимость механических свойств и структурно-фазового состояния сталей 110Г13Л и 20X13 от малых отклонений их химического состава;

4. Закономерности влияния электронного облучения с флюенсом 10 е/см на структурно-фазовое состояние и механические свойства сплава 36НХТЮ.

Научная и практическая значимость работы.

Результаты, полученные в диссертации, могут быть использованы при создании деталей, работающих на износ в условиях трения, давления и ударных нагрузок, при разработке современных теорий фазовых превращений в облученных материалах. Обнаруженные эффекты влияния облучения тяжелыми ионами на \—>а превращение могут быть учтены при разработке физических основ создания конструкционных материалов с улучшенными показателями механических свойств.

Достоверность полученных в диссертации результатов и обоснованность научных положений подтверждается:

1. Использованием утверждённых ГОСТ (9450-76, 1497-84, 9454-78) методов механических испытаний и таких традиционных методов физического эксперимента как рентгено-структурный, электронно-микроскопический и металлографический анализ;

2. Корректностью постановки задач и обоснованным выбором материалов для исследования;

3. Достаточным объемом экспериментальных данных и их непротиворечивостью фундаментальным положениям физики конденсированного состояния.

Личный вклад автора:

В процессе выполнения исследований автор принимал

непосредственное участие в постановке цели и задач исследования, изготовлении, подготовке и механических испытаниях образцов, во всех экспериментах связанных с облученными материалами, а также в обработке полученных результатов и формулировании выводов.

Апробация работ: Основные результаты диссертации были изложены и обсуждены на следующих научных конференциях: Международном семинаре «экспериментальные возможности токамака КТМ и программа исследований», Астана, 2005; XVI Российском симпозиуме по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел, Черноголовка, 2009; 7, 8 Международных конференциях «Ядерная и радиационная физика», Алматы, 2009, 2010; XI Международной конференции «Физика твердого тела», Усть-Каменогорск, 2010; VIII International conference ion implantation and others applications of ions and electrons, Poland, 2010; XIX Международная конференция по физике радиациолнных явлений и радиационному материаловедению, Алушта, Крым, 2010; 13-ом Международном симпозиуме «Упорядочение в минералах и сплавах», Ростов-на-Дону, пос. Лоо, 2010; 50 -ом Международном симпозиуме «Актуальные проблемы прочности», г.Витебск, 2010; VI Международной конференции «Прочность и разрушение материалов и конструкций», г.Оренбург, 2010; VI Международной конференции «Фазовые превращения и прочность кристаллов», г.Черноголовка, 2010; IX Международном уральском семинаре «Радиационная физика металлов и сплавов», г.Кыштым, 2011; VIII Международной конференции «Перспективные технологии, оборудование и аналитические системы для материаловедения и наноматериалов», г.Алматы,

2011; X Международной конференции «Плёнки и покрытия», г.Санкт-Петербург, 2011; 1 International Conference Nanomaterials: Applications and Properties (NAP), г.Алушта, Крым, 2011; 15,h International conference on Fusion reactor materials, Charleston, South Carolina, USA, 2011; Материалы международной НПК «Двадцать лет развития Казахстана - путь к инновационной экономике: достижения и перспективы», Усть-Каменогорск, 2011.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 30 работ, из них 7 журнальных статей из которых 2 изданы в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 11 статей в сборниках Международных конференций, 12 тезисов.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти разделов и заключения. Общий объем работы составляет 173 страницы, в том числе 28 таблиц, 73 рисунка и список использованных источников, включающий 177 наименований.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Во введении обоснована актуальность и отмечена новизна работы, указана цель исследования, научная и практическая значимость полученных результатов. Сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе дан краткий обзор современных представлений о бездиффузионном мартенситном у—>а превращении, инициированным деформацией, о природе и механизмах зарождения а-мартенсита, движущих силах и особенностях протекания мартенситных превращений. Проанализировано известное по литературным данным влияние энергии дефектов упаковки на механические свойства облученных металлических материалов и на их мартенситное у—>а превращение. Здесь же сформулирована цель работы и поставлены основные задачи исследования.

Во втором разделе обоснован выбор материалов исследования. Это аустенитные нержавеющие стали 12Х18Н10Т и Х15АГ14, которые были аустенизированы при 1050°С 30 мин.; образцы стали 110Г13Л (сталь Гадфильда) и стали 20X13 после стандартной обработки; дисперсионно -твердеющий сплав 36НХТЮ, подвергнутый различным режимам термомеханической обработки. Описаны методики облучения тяжелыми ионами з64Л>+14 на ускорителе ДЦ-60 (Астана, Казахстан), WC+na ускорительной установке Диана (ФТИ, Алматы, Казахстан) и электронами на электронном ускорителе ЭЛУ-6 (АГУ, Алматы, Казахстан).

В качестве основных методов исследования тонкой структуры выбраны просвечивающая (JEM-100CX) и растровая (JSM-7500F) электронная микроскопия: растровый электронный микроскоп оснащен системой анализа фазового состава, структуры и текстуры кристаллических материалов методом дифракции отраженных электронов (EBSD), атомно-силовая микроскопия (NT-206), рентгеноструктурный фазовый анализ (XPertPRO). Для проведения механических испытаний на одноосное растяжение использовали универсальную испытательную машину (Инстрон 1195) и микротвердомер (LM-700). Металлографические наблюдения вели при помощи оптического

микроскопа (Olympus-51), намагниченность измеряли при помощи феррозонда (Ferster 1.053).

В третьем разделе приведены результаты исследования структурно-фазовых превращений в нержавеющей стали 12Х18Н10Т и в некоторых технически чистых материалах, облученных высокоэнергетическими ионами з¡Кг*'4, а также результаты исследования предварительно деформированных до 45-50% образцов стали Х15АГ14, с последующим облучением их ионами карбида вольфрама (Е=50кэВ, 8.9-1018 ион/см2).

Наблюдения, проведенные методом растровой электронной микроскопии, показали, что после воздействия на поверхность стали 12Х18Н10Т высокоэнергетическими ионами ¡¡Кг*" на облученной поверхности возникают «вторичные образования»: карбиды, нитриды и блистеры - полости в приповерхностном слое, заполненные газом. Средний размер карбидов (нитридов) составляет от 100 до 200 нм. На фотографиях блистеры, в отличие от карбидов (нитридов) имеют правильную округлую форму, а диаметр их гораздо меньше размера «вторичных образований» и составляет 20-60 нм.

При увеличении флюенса до 91015 ион/см2, наряду с образованием блистеров, имеет место интенсивное формирование вскрытых блистеров (флокенов), а также эрозия поверхности (рис. 1). На рис. 2 показаны гистограммы распределения вторичных образований по размерам.

Видно, что с ростом флюенса облучения увеличивается количество флокенов и ровная, отполированная до облучения поверхность образца постепенно покрывается мелкими язвами, что, очевидно, необходимо учитывать при использовании аустенитной нержавеющей стали в качестве конструкционного материала для первой стенки ядерного реактора.

■р-ЕГ. ..

5

Рисунок 2 - Гистограммы распределения

вторичных образований в стали 12Х18Н10Т, облученной ионами ¡¡Кг*'4 (Е=131 МэВ) и флюенсами: 1-Ю1 ион/см2 (штрих), 4-Ю'5 ион/см2 в г (сплошным)

Рисунок 1 - Фотографии структуры поверхности стали 12Х18Н10Т, после облучения ионами

¡¡Кг*'4 Е= 131 МэВ при флюенсе:

а) 1-10 ион/см'

; б) 4-Ю15 ион/см2; в) 6-Ю15 ион/см2; г) 9-Ю15 ион/см2

Элементный анализ, выполненный с поверхности мелких округлых образований наблюдаемых внутри кристаллитов, подтвердил предположение, что это карбидные частицы (карбиды хрома Сг2зС6). Измерения намагниченности образцов стали (с использованием магнитного щупа), до и после облучения ионами криптона, а также рентгеноструктурные исследования не обнаружили магнитной фазы в образцах, облученных до флюенса 4-10 5 ион/см2. Учитывая тот факт, что глубина проникновения магнитного поля щупа велика (~1мм), а чувствительность дифрактометра не позволяет выявить столь малое (доли процентов) содержание магнитной фазы, то ее количество и морфологию определяли методом EBSD-анализа.

В общих чертах метод EBSD-анализа заключается в следующем: полированный образец, наклоненный на угол 70°, помещается в растровый электронный микроскоп (РЭМ). Микроскоп переводится в режим работы с минимальным размером электронного пучка и исследуемая поверхность подвергается автоматическому пошаговому сканированию «от точки к точке». Дифрагированные электроны, обратно рассеянные от каждой точки сканирования, формируют дифракционную Кикучи-картину на флуоресцентном экране, установленном внутри камеры микроскопа, с которого, в свою очередь, изображение передается на цифровую видеокамеру. Дифракционные картины с каждой из точек сканирования оцифровываются и автоматически усредняются. Процесс повторяется до тех пор, пока не будет отсканирована заданная площадь поверхности образца. Таким образом воспроизводится пространственное распределение ориентировок кристаллитов на исследуемой поверхности шлифа.

Карта распределения фаз (рис. 3) показывает, что в результате облучения тяжелыми высокоэнергетическими частицами в приповерхностном слое образца стали 12Х18Н10Т образуются две мартенситные фазы (а и е).

Аустенит б

jgv

Ь . tc-t

ГЬчї-* w.i

а - мартенсит г

Е- мартенсит Д

III

Л

Рисунок 3 - Карта фаз, снятая в

режиме EBSD, для образца стали 12Х18Н10Т, облученного ионами ЦКг*и флюенсом 1-10'5ион/см2 (шаг сканирования 0,05 мкм) х7500

Особенностью а-фазы является чрезвычайная мелкодисперсность (менее 0,1 микрона) наряду с небольшим количеством крупных образований. Кроме того, а-фаза образуется преимущественно в «чистых местах», то есть там, где нет блистеров. Отличительной особенностью облученных образцов является также и то, что а-фаза появляется в зернах преимущественно с ориентацией (001) вблизи границ зерен. В то же время є-мартенсит (ГПУ) зарождается в основном в зернах с ориентацией (111). Ориентацию зерен определяли методом EBSD, который позволяет определить индексы атомных плоскостей, расположенных в области анализа.

Установлено, что ориентация зерна, в котором протекают фазовые превращения, не изменяется при изменении флюенса ионов.

Аустенит б

а - мартенсит г

є - мартенсит

д

Рисунок 4 - Карта фаз, снятая в

режиме ЕВЗО, для образца стали 12Х18Н10Т, облученного ионами ¡Кг*" флюенсом 410"ион/см2 (шаг сканирования 0,05 мкм) х7500

Рис. 4 также подтверждает, что ориентация зерна является фактором, определяющим вид дефектной структуры: образуются или блистеры (101) или а-фаза (001).

Количество магнитной фазы в стали возрастает с увеличением флюенса ионов. Например, в образце стали, облученном флюенсом МО15 ион/см2 содержание а - фазы составляет около 8% (е-мартенсита - 1%), а в образце стали, облученном флюенсом 4-1015 ион/см2, около 9% (е-мартенсита - 2%).

После дополнительного облучения образцов ионами ЦКг+|4 (суммарный флюенс составил 9-Ю1"5 ион/см2) исследования, проведенные с помощью феррозонда, обнаружили наличие ферромагнитной фазы в первоначально парамагнитной матрице. При этом методом ЕВЗБ подтверждено присутствие в аустенитной решетке одновременно в и а фаз (рис 5), причем а - фаза

выделяется уже не в виде микровыделений, а в виде зерен внутри аустенитнои матрицы.

^щ

Рисунок 5 - Карта фаз, снятая в

режиме EBSD для образца стали 12Х18Н10Т, облученного ¡¡Кг*'4 флюенсом 9-1015ион/см2 (шаг сканирования 0,1 мкм) х7500

а - мартенсит г

в - мартенсит

д

Установлено, что мартенситная а-фаза, образующаяся при низкотемпературном облучении тяжелыми ионами, в основном мелкодисперсная, т.е. процессы ее зарождения превалируют над процессами роста.

В результате исследований был получен большой массив экспериментальных данных механических испытаний (нанотвердости), в которых помимо аустенитнои нержавеющей стали 12Х18Н10Т есть данные для ряда технически чистых материалов, таких как никель, железо и молибден. Анализ результатов для необлученных и облученных металлов (N1, Ре, Мо) и нержавеющей стали 12X18Н ЮТ, позволил выделить в материалах три зоны, характеризующиеся тремя величинами нанотвердости: Нтах - зона 1; Нср - зона 2 и Нтш - зона 3 (рис. 6), а также позволил заключить, что изначально в образцах существует приповерхностный слой, обладающий повышенной прочностью (твердостью).

зона 1

зона 2

зона з

Рисунок 6 - Схематическое положение зон на образце, образовавшихся в результате облучения

Толщина упрочненного слоя для всех материалов практически одинакова и составляет ~4 им (Зона 1). Кроме того можно выделить матричную область (необлученную область) (Зона 3) и некоторую переходную зону между

приповерхностным слоем и матрицей (Зона 2).

В Таблице 1 представлены относительные значения нанотвердости для приповерхностного слоя и переходной зоны

Таблица 1 - относительные значения нанотвердости для приповерхностного слоя и переходной зоны

Таблица

¡60 140 120

материал ЗОНА 1; ЗОНА 2; 100 so

#Z, % ЯІ„> %

Ni 60 1

Fe 10 52 60

Mo 0 -13 40-

12Х18Н10Т 130 -38 20

теоретически

Нержавеющая стать 12x1sh10t

Материал ЭДУ, мДж/м2 Литература

12X18H10T 40,7 [1]

Ni 100 Г2, 31

Fe 160-240 [4]

Mo 300 [5]

50 юо 150 200 250 300 ЭДУ, мДж/м-

Рисунок 7 - Изменение относительных экспериментальных значений нанотвердости

исследованных материалов в облученном приповерхностном слое (зона 1) в зависимости от известной (по данным [6]) энергии дефектов упаковки

Таким образом, в результате облучения ускоренными заряженными частицами только Ni и Fe упрочняются в целом, причем у Ni больше упрочняется приповерхностный слой (зона 1), тогда как у Fe - зона 2. В нержавеющей стали сильно упрочняется только приповерхностный слой толщиной 4 нм, а в зоне 2 он, напротив, разупрочняется на 38%. Облучение Мо приводит к тому, что нанотвердость зоны 1 не изменятся, тогда как зона 2 разупрочняется в среднем на 13%. Поверхность всех исследованных материалов была изначально упрочнена в процессе приготовления образцов с применением электрополировки. В то же время дополнительное радиационное упрочнение стали 12Х18Н10Т связано с фактическим образованием в материале мартенситной а - фазы, инициированной облучением. К фазовому у—>а переходу под интенсивным внешним воздействием склонны метастабильные нержавеющие стали, характеризующиеся небольшим

(несколько мДж/м2) значением энергии дефекта упаковки [6]. Наряду с тем, под воздействием облучения материалы с различной энергией дефекта упаковки могут упрочняться различным образом, а именно, при больших значениях ЭДУ эффект упрочнения будет минимален. С учетом этого обстоятельства на рис. 7 приведена зависимость экспериментально установленного относительного упрочнения приповерхностного слоя от известных по литературным данным [6] величин ЭДУ для всех исследованных в данной работе материалов.

Облучение карбидом вольфрама \¥С+. Деформированные до определенной степени (45-50%) образцы стали Х15АГ14 разгружали, одновременно фиксируя значения текущей нагрузки и изменения магнитометрического сигнала. Затем их облучали ионами \¥С на ускорителе Диана (Е=50 кэВ, Ф=8,9-1018 ион/см2), после чего эксперимент по растяжению был продолжен вплоть до разрушения образца (рис. 8).

Дэобпуча»«

Положение точки измерения на рабочей части образца, мм

Положение точки измерения на рабочей части образца, мм

Рисунок 8 - Диаграммы растяжения «а-6» (1) и магнитометрические кривые « Мf -5» (2) для образцов стали Х15АГ14 (а) и 12Х18Н10Т (б) до и после облучения ионами WC+ (8.91018част/см2). Диаграммы изменения содержания ферромагнитной фазы по длине деформированных образцов до и после облучения; ферромагнитной фазы по длине образцов сталей Х15АГ14 (в) и 12Х18Н10Т (г)

до облучения

Полученные диаграммы растяжения стальных образцов «нагрузка ст -деформация 5» и кривые изменения магнитометрического сигнала «М(- - 5» (которые отражают кинетику накопления ферромагнитного а - мартенсита в деформируемой парамагнитной аустенитной матрице) для образцов сталей

Х15АГ14 и 12Х18Н10Т до и после облучения тяжелыми ионами приведены на рис.8 а,б. Данные магнитометрических измерений содержания ферромагнитной фазы по рабочей длине деформированных образцов (в разгруженном состоянии) до и после облучения приведены на рис. 8 в, г.

Показано, что облучение тяжелыми ионами WC+ с энергией 50 кэВ предварительно деформированных образцов аустенитных сталей 12Х18Н10Т и Х15АГ14, приводит к заметному повышению содержания в них мартенситной a-фазы. При этом различная склонность сталей к у—>ц превращению у данных материалов обуславливает более существенное приращение содержания а-фазы в марганцовистой стали, по сравнению с хромо-никелевой. Проявление эффекта «упругого мартенсита» после облучения ионами WC+ заметно усиливается, что может быть обусловлено не только ростом содержания а-фазы в образцах, но и повышением внутренних напряжений в приповерхностном мартенситосодержащем слое.

В четвертом разделе приведены результаты зависимости механических свойств и структурно-фазового состояния сталей 110Г13Л и 20X13 от малых допустимых отклонений в их химическом составе. Целью проведенных исследований являлось установление зависимости разброса свойств ударной вязкости от структурно-фазовых изменений, обусловленных отклонениями в пределах ГОСТ в элементном составе сталей. Для достижения поставленной цели были проведены испытания на ударный изгиб для образцов с одинаковой термической обработкой и одинаковым химическим составом (с отклонениями в пределах ГОСТ). По результатам испытаний выбрали три группы образцов, проявивших различную склонность к разрушению: с высокими, средними и низкими значениями ударной вязкости, соответственно 1-я, 2-я и 3-я группы. Статистической обработке для установления корреляции между химическим составом и механическими свойствами подвергнуты по 300 образцов каждой группы

Исследование стали 1 ЮГ 13Л. Для определения фазового состава образцов стали 110Г13Л было применено два метода: метод проучивающей электронной микроскопии и метод рентгеноструктурного ана.апа. Анализ результатов свидетельствует о том, что установлены соответствующие различия в фазовом составе исследуемых образцов. По данным рентгеноструктурного анализа в образцах первой и второй группы наблюдаются только рефлексы ГЦК фазы, что подтверждается и расшифровкой соответствующих точечных микроэлектронограмм (рис 9). По расшифровке рентгеновских дифрактограмм и результатам просвечивающей электронной микроскопии (рис. 9) установлено, что в образцах третьей группы формируются карбиды марганца Мп23С6, объемная доля которых в образце существенна, на что указывает достаточная интенсивность рефлексов данной фазы.

Исследования мартенситной фазы феррозондом Ферстера показали повышенное содержание мартенсита в образцах второй и третьей группы, причем мартенсит появляется еще до разрушения, так как он есть и далеко от излома, там, где участки не деформированы. В образцах первой группы

мартенсит не обнаружен. На металлографических снимках образцов третьей группы в отдельных зернах виден характерный рельеф, свидетельствующий об изменении формы превращенного объема аустенита, что так же подтверждает мартенситное превращение (рис.10).

Фрактографические исследования показывают значительную структурную неоднородность при разрушении стали 110Г13Л для образцов третьей группы (рис. 11). По РЭМ снимкам видно, что излом хрупкий, видны ямки от мелких частиц, расположенных преимущественно по границам зерен. Диаметр больших ямок равен 88 мкм, а маленьких - 20 мкм.

мкм

В Г

Рисунок 9 - ПЭМ - изображение микроструктуры образца стали 110Г13Л первой группы, х50000 (а) и ее микроэлектронограмма (б), третьей группы (в) образцов (карбида М2зСб) и микроэлектронограмма участка (г)

а (х500) б (х 1000)

Рисунок 10 - Металлография образцов третьей группы а) Рисунок 11 - Фрактография

общий вид микроструктуры, б) структурная неоднородность в третьей группы образцов

виде игольчатых разнонаправленных полос в зерне стали 110Г13Л

Исследование стали 20X13. При испытании образцов стали 20X13 была замечена резкая тенденция снижения значений ударной вязкости у некоторых образцов, в то время как остальные показатели механических испытаний (предел прочности, предел упругости, относительное удлинение, относительное

сужение, твердость) оставались в пределах допустимых значений. Возникла необходимость выявить причину этих отклонений и найти пути борьбы с ними. Установлено, что наиболее вероятной причиной разброса значений ударной вязкости является различие химического состава стали в пределах, допускаемых ГОСТом.

По результатам испытаний на ударный изгиб были выбраны три группы образцов, проявивших различную склонность к разрушению: с высокими, средними и низкими значениями ударной вязкости, соотверственно 1-я, 2-я и 3-

я группы ( ал = 49 • 104 УЩ-, а„2 = 37 • 104 Щ- , апЪ = 15 • 104 ).

м М м

Как видно из результатов фрактографического исследования, изломы стали сильно отличаются друг от друга. На рис.12 а и б, которому соответствует минимальное значение ударной вязкости, мы видим хрупкий межзеренный излом. Разрушение идет по границам зерен. Методом секущих был проведен количественный анализ излома. Средний размер зерна составил 51,29 мкм.

Рисунок 12 - Виды изломов стали 20X13 и средние значения ударной вязкости для разных групп

образцов выборки второй группы (а); третьей группы (б)

По данным металлографического исследования установлено, что во всех трех группах образцов микроструктура стали представляет собой сорбит с разным баллом зерна. Структура мартенсита не обнаружена и по данным рентгеноструктурного анализа, что свидетельствует о соблюдении норм термической обработки. Таким образом, наиболее вероятной причиной охрупчивания стали являются небольшие отклонения в её химическом составе.

По результатам проведения различными способами корреляционного анализа ударной вязкости с элементным составом стали установлено, что максимальное корреляционное отношение наблюдается с вес.% содержания в ней меди. Эти данные подтверждаются и результатами энергодисперсионного анализа изломов образцов первой группы (рис 13 б), где наблюдается выделение меди по границам зерен.

Рисунок 13-Изображение излома стали 20X13 для образцов первой группы (а) и соответствующая карта распределения Си по границам зерен (б)

сик1

Уровень надежности так же находится в допустимых рамках. Таким образом, можно полагать, что причиной охрупчивания является повышение содержания меди.

В пятом разделе приведены результаты исследования влияния времени старения на структурно-фазовые переходы в сплаве 36НХТЮ, облученном электронами с Е=2МеВ, Ы019е/см2.

Для получения различной структуры образцы подвергали предварительной термомеханической обработке (ТМО) по следующим режимам: I- 970°С, 20 мин; II - 970°С, 20 мин+е=99%; III - 970°С, 20 мин+е=99%+850°С, 10 мин; IV -970°С, 20 мин+е=99%+850°С, 60 мин, где £ - это степень обжатия. Деформация осуществлялась холодной прокаткой. Микроструктура сплава после обработки по режиму I - крупнозернистая с однофазным у-твердым раствором на основе N1; по режиму II - имеет фрагментированную структуру; по режиму III -мелкозернистая структура микродуплекс и по режиму IV - структура состоит из элементарных ячеек прерывистого распада (ЭЯПР - термин для данной структуры введен в работе [7]).

Электронно-микроскопическое изображение ДУ в сплаве 36НХТЮ после закалки на 970°С представляет собой полосчатый контраст (указан стрелкой на рис. 14).

Рисунок 14 - Дефекты упаковки у - твердом растворе закаленного сплава 36НХТЮ после электронного облучения, хЗбООО

Облучение электронами в значительной степени повлияло на количество дефектов упаковки в закаленном сплаве и механические свойства двух разных типов микроструктуры в сплаве 36НХТЮ подвергнутому обработке по режиму IV.

Карта распределения фаз (рис. 15) показывает, что в результате электронного облучениея сплава 36НХТЮ с ТМО после прокатки (старение 850°С, 10 мин) в у - фазном твердом растворе происходит увеличение мест зарождения фаз: г|-фазы с решеткой ГПУ (№3Т1) и у'-фазы с ГЦК-решеткой

17

(№3А1). Особенностью как г)-, так и у'-фаз является их чрезвычайная мелкодисперсность (менее 0,1 микрона) и то, что они появляются внутри зерен у - фазы с ориентацией (101).

б (г)-фаза) Г

Рисунок 15 - Карта фаз, снятая в режиме ЕВЭО сплава 36НХТЮ, после старения 850°С (10 минут) и последующего электронного облучения (шаг сканирования 0,05 мкм) ХІ3000

Карта распределения фаз (рис. 16) показывает, что в результате повышения времени старения до 1 часа и последующего электронного облучения в образцах сплава 36НХТЮ распадается твердый у-раствор с формированием г|-фазы с решеткой ГПУ в количестве 35 об.%. Кроме того, отличительной особенностью т|-фазы является то, что она выделяется в виде стержней внутри основной матрицы и растет в течение всего времени старения вместе с зерном у-фазы, в котором она зародилась (это микроструктура ЭЯГГР). Но также помимо г)-фазы мы наблюдаем наличие повышенной концентрации Сг (около 3%) внутри у-зерен.

Рисунок 16 - Карта фаз, снятая в режиме ЕВвО сплава 36НХТЮ, после старения 850°С (1 час) и последующего электронного облучения (шаг сканирования 0,05 мкм) ХІ3000

Самым значимым изменением механических свойств после электронного облучения является резкое увеличение относительного удлинения до разрыва, то есть рост пластичности микроструктуры из ЭЯПР по сравнению со структурой микродуплекс (рис. 17).

Закалка 970' С - ~ Закалка 9700 прокзтк£ 99%* прокатка 99? j-ciapeHiie 550 C старение S50'С (10 Miras (60 Mira)

Режимы TMO

закалка 970'- Закалка 970'c^ прокатка 99% " прокатка 9944 + старение SiO'C' старение 850 С (10 мин! (60 «шт!

Режимы TMO

Закалка Закалка 970 С- Закалка 970С7-

970'С прокатка 99^' прокатка 99*о -старение S50 С старение 850 С (10 шт) (00 пин)

Режимы ТМО

а б В

Рисунок 17 - Гистограммы зависимости условного предела текучести ст0.2(а), предела прочности ав (б) и относительного удлинения до разрыва 8(в) сплава 36 НХТЮ от различных

режимов ТМО

Методами ПЭМ было установлено, что облучение электронами приводит к повышению концентрации ДУ в закаленном сплаве после облучения. Сравнение объемных долей ДУ в закаленном сплаве до и после облучения показывает, что происходит относительный прирост числа ДУ в облученном сплаве примерно на 15%, что хорошо согласуется с увеличением значений предела прочности облученного материала.

В исследуемых образцах состаренного сплава с микроструктурой из ЭЯПР количество ДУ после облучения мало изменилось, так же как в образцах со структурой микродуплекс, но для микродуплексной структуры отмечается рост объемной доли ЭЯПР после облучения.

Было показано, что основной вклад в изменение показателей механических свойств состаренных сплавов вносят не ДУ, а частицы г| - фазы, выделяющиеся в виде мелких стержней. В среднем объемная доля г|-фазы увеличивается на 7% в облученных образцах.

Таким образом, было сделано заключение о том, что облучение приводит к измельчению микроструктуры за счет увеличения количества зародышей ЭЯПР, что закономерно приводит к росту пластичности облученного материала, а увеличение объемной доли упрочняющей г|-фазы ведет к одновременному росту прочностных характеристик облученного сплава 36НХТЮ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1 Установлено, что радиационное воздействие тяжелыми ионами ¡¡Кг*'" (Е= 131 МэВ/нуклон, флюенс не менее МО15 ион/см2) приводит к образованию мартенситных (а, е-фаз) в приповерхностных слоях нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Показано, что а-мартенсит является мелкодисперсным (менее 0,1 мкм) и располагается в у - фазе преимущественно внутри зерен с ориентацией (101), тогда как е - мартенсит тяготеет к зернам с ориентацией (111).

2 Установлено, что дополнительный эффект радиационного упрочнения стали 12Х18Н10Т связан с образованием мартенситной а-фазы. Показано, что экспериментальные величины изменения относительных прочностных характеристик исследованных материалов в результате ионного облучения соотносятся с известными литературными данными об их энергиях дефектов упаковки (ЭДУ): тем больше ЭДУ, тем меньше относительные значения нанотвердости.

3 Экспериментально обнаружено, что облучение тяжелыми ионами WC+ с энергией 50 кэВ предварительно деформированных образцов аустенитных сталей 12Х18Н10Т и Х15АГ14, приводит к заметному повышению содержания в них мартенситной а-фазы, при этом приращение а-фазы в марганцовистой стали более существенно, по сравнению с хромо-никелевой сталью.

4 Выявлено, что даже небольшие изменения химического состава сталей 110Г13Л и 20X13 могут привести к существенным изменениям в фазовом составе исследуемых образцов. По мере увеличения (более 12 вес.%) содержания Мп в стали 110Г13Л проявляется склонность к хрупкому разрушению за счет формирования карбидов марганца и мартенситного превращения, а содержание Си более 0,1 вес.% в стали 20X13 является причиной ее охрупчивания.

5 Показано, что электронное облучение (Е=2МэВ, Ф=1019 е/см2) образцов сплава 36HXTIO приводит к повышению концентрации ДУ в закаленном материале, что проявляется в снижении пластичности и увеличении прочности (радиационное упрочнение) образцов. Облучение закаленных, прокатанных (е=99%) и состаренных при 850°С, в течение Юминут и 1 часа образцов приводит к ускорению выделений частиц т]-фазы в у-зерне, сопровождающемуся повышением пластичности облученного материала с сохранением прочности.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Русакова A.B., Здоровец М.В., Акилбеков А.Т., Даулетбекова А.К., Абуова Ф.К. Высокоразрешающая микроскопия кристаллов LiF облученных высокоэнергичными ионами и электронами, Изв. Вузов. Физика, №8/2, 2009. - С. 331-333.

2. Максимкин О.П., Яровчук A.B., Турубарова Л.Г., Русакова A.B., Аулова Д.С., Карбышева С.А. Влияние нейтронного облучения на межкристаллитную коррозию и коррозионное растрескивание

низколегированного алюминиевого сплава САВ-1, ВАНТ, Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение, №2 (97), 2011г.-С. 108-115.

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК PK

1. Русакова A.B., Максимкин О.П., Яровчук A.B., Доронина Т.А. Формирование кратеров, аналогичных космическим, на поверхности металлических материалов, бомбардируемых заряженными частицами, Известия HAH PK, серия Физико-математическая вып.№2, (252), 2007.- С. 36-41.

2. Русакова A.B., Максимкин О.П., Цай К.В. Особенности распыления некоторых металлических материалов ионами аргона с энергией 2-7 кэВ, Вестник НЯЦ PK, вып №.3„ 2006,- С. 47-52.

3. Русакова A.B., Влияние облучения тяжелыми ионами высоких энергий на структурные изменения различных материалов, Вестник Карагандинского Университета, Серия Физика, №4(60)/2010.- С.38-44.

4. Русакова A.B., Алонцева Д.Л., Прохоренкова Н.В., Эволюция структуры и свойств нержавеющих сталей, облученных различными видами частиц, Вестник Карагандинского Университета, Серия Физика, №1(61)/2011.-С.36-44.

5. Русакова A.B., Максимкин О.П., Гусев М.Н., EBSD-изучение мартенситного превращения в реакторной стали 12Х18Н10Т холоднодеформированной и облученной ионами криптона с энергией 1,56 МэВ/нуклон, Вестник НЯЦ PK, вып №.2„ 2011,- С. 144-150.

СТАТЬИ И ТЕЗИСЫ В СБОРНИКАХ НАУЧНЫХ КОНФЕРЕНЦИЙ

1. Русакова A.B. Электроннолучевая обработка материалов, ВКГУ, Научное творчество молодежи: проблемы и перспективы развития, Усть-Каменогорск, 2001.- С. 222.

2. Русакова A.B., Алонцева Д.Л. Зависимость ударной вязкости от химического состава в марганцовистой стали 110Г13Л. Тезисы докладов XIII студенческой научной конференции, I часть, г. Усть-Каменогорск, 2004,- С. 126.

3. Алонцева Д.Л., Русакова A.B. Изменение микроструктуры и механических свойств стали Гадфильда в зависимости от ее химического состава, Сборник лучших студенческих работ VII студенческой конференции 20032004 уч. года, С. 100-121.

4. Максимкин О.П., Гусев М.Н., Суслов С.Е., Тиванова О.В., Турубарова Л.Г., Цай К.В. Новые результаты исследований радиационно-термической стойкости конструкционных материалов первой стенки и дивертора ТЯР, Международный семинар Экспериментальные возможности токамака КТМ и программа исследований, г.Астана, 2005.-С.66-67.

5. Русакова A.B., Максимкин О.П., Кадыров Х.Г. Электронно микроскопическое исследование процессов, моделирующих блистеринг в

металлических материалах, имплантированных гелием, XVI Российский симпозиум по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел, г. Черноголовка, 2009,- С. 152.

6. Гусев М.Н., Максимкин О.П., Мережко М.В., Рыбин C.B., Рубан C.B., Сильнягина Н.С., Токтогулова Д.А., Русакова A.B. Экспериментальное низкотемпературное моделирование волны деформации в высокооблученной нейтронами (56 сна) нержавеющей стали 12Х18Н10Т, 7-я международная конференция "Ядерная и радиационная физика", г.Алматы, 2009. - С. 146-147.

7. Русакова A.B., Акилбеков А.Т., Даулетбекова А.К., Здоровец М.В., Колобердин М.В., Васильева А.Ф., Создание центров окраски в кристаллах фторида лития облученных 195 МэВ шХе ионами, Труды XIX Международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью ВИП», г.Звенигород, Россия, 2009. - С.97-100.

8. Алонцева Д.Л., Русакова A.B. Зависимость механических свойств и микроструктуры стали Г13Л от малых допустимых отклонений в ее химическом составе, Материалы международного симпозиума «Наноматериалы для защиты промышленных и подземных конструкций» и XI Международной конференции «Физика твердого тела (ФТТ - XI)», г.Усть-Каменогорск, 2010.-С. 135-140.

9. Русакова A.B., Максимкин О.П., Цай К.В. Некоторые особенности мартенситного у—»а превращения при деформации аустенитных сталей Х15АГ14 и 12Х18Н10Т, облученных тяжелыми ионами, 7-я международная конференция "Ядерная и радиационная физика, г.Алматы, 2010,- С. 250254.

10.Russakova A.V., Maksimkin O.P.,Tsay K.V., Berdaliev D.T., Martensite y->a transformation in deformable stainless steels irradiated with ions and pulse electron flows, VIII-th International Conference Ion Implantation and Other Applications of Ions and Electrons, Kazimierz Dolny, Poland, 2010,- P. 101-102.

11.Максимкин О.П., Русакова A.B., Яровчук A.B., Турубарова Л.Г., Аулова Д.С., Карбышева С.А., Влияние нейтронного облучения на межкристаллитную коррозию и коррозионное растрескивание низколегированного алюминиевого сплава САВ-1, Труды XIX международной конференции по физике радиационных явлений и радиационному материаловедению, г.Алушта, Украина, 2010,- С. 318

12. Русакова A.B., Алонцева Д.Л., Прохоренкова Н.В., Упорядочение по типу CrNií в покрытии на основе Ni, нанесенном методом плазменной детонации на стальную подложку, 13 международный симпозиум «Упорядочение в минералах и сплавах», Ростов-на- Дону - пос.Лоо, Россия, 2010.- С. 18-21.

13. Русакова A.B., Гусев М.Н., Максимкин О.П., Упрочнение и разрушение нержавеющей стали 12Х18Н10Т, бомбардируемой ионами титана с энергией 50 кэВ, Материалы 50 Международного симпозиума "Актуальные проблемы прочности" 35-лет ИТА HAH Беларуси, г. Витебск, Беларусь, 2010.- С. 120-122.

14. Русакова А.В., Максимкин О.П., Гусев М.Н., Изучение особенностей разрушения стали 12Х18Н10Т, облученной ионами титана, Материалы VI Международной конференции «Прочность и разрушение материалов и конструкций», посвящена 55-летию Оренбургского государственного университета, г. Оренбург, Россия, 2010 г.- С. 560-563.

15. Русакова А.В., Максимкин О.П., Цай К.В., Мартенситное превращение в деформированных нержавеющих сталях, облученных ионами и импульсными потоками электронов, Сборник тезисов VI Международной конференции «Фазовые превращения и прочность кристаллов», посвященная памяти академика Г.В. Курдюмова, г.Черноголовка, Россия, 2010 г.- С. 234.

16. Русакова А.В., Максимкин О.П., Гусев М.Н., Влияние облучения тяжелыми частицами (84Кг, Е=1,56 МэВ/нуклон) на превращение в стали 12Х18Н10Т, Материалы IX Международного Уральского Семинара «Радиационная Физика Металлов и Сплавов», г.Кыштым, Россия, 2011г.-С.16-17.

17.Алонцева Д.Л., Русакова А.В., Мисерва С.Я., Прохоренкова Н.В., Наноструктурированные покрытия на основе Ni-Cr и Со-Сг, полученные методом плазменной детонации и их свойства, VIII Международная конференция «Перспективные технологии, оборудование и аналитические системы для материаловедения и наноматериалов», г.Алматы, Казахстан, 2011г.-С. 97-105.

18. Максимкин О.П., Здоровец М.В., Русакова А.В., Жанботин А.Ж. Линейное расширение и изменение структуры при отжиге (20-100°С) феррито-мартенситной стали ЭП-450, имплантированной гелием, 7-я международная конференция "Ядерная и радиационная физика, г.Алматы, Казахстан, 2010.-С. 72

19. Алонцева Д.Л., Погребняк А.Д., Русакова А.В., Прохоренкова Н.В., Рогоз В.Н., Ермолаев В.Н., Пшик А.В., Формирование микро- и наноструктурных фаз в покрытиях на основе Ni-Cr, их структура и свойства, Труды X Международной конференции «Пленки и покрытия», г.Санкт-Петербург, Россия, 2011г.-С. 294-298.

20.Хромушин И.В., Аксенова А.Т., Мунасбаева К.К., Жотабаев Ж.Р., Тусеев Т.Т., Дегтярев В.В., Русакова А.В., Модифицирование твердооксидных протонных проводников ионами кислорода и аргона, 8-я международная конференция "Ядерная и радиационная физика, г.Алматы, Казахстан, 2011 .С. 107-111.

21.Alontseva D.L., Pogrebnjak A.D., Prokhorenkova N.V., Rusakova A.V. Forming the strengthening nanoparticles in the Co-Cr based coatings deposited by plasma detonation on a steel substrate, 1-st International conference Nanomaterials: application and properties (NAP), Vol.1, Part I, Alushta, Ukraine, 2011.-P.53-61.

22. Rusakova A.V., Maksimkin O.P., Gussev M.N., Garner F.A., Morphological peculiarities of a- and e- martensite in 12Crl8NilOTi stainless steel after heavy ion irradiation, 15th International conference on Fusion reactor materials, Number 15-014, October 16-22, 2011, Charleston, South Carolina, USA.

23. Алонцева Д.Л., Русакова А.В., Мисевра С.Я., Колесникова Т.А., Development of innovate technologies engineering and tools for material modification, Материалы Международной НПК "Двадцать лет развития Казахстана - путь к инновационной экономике: достижения и перспективы", ВКГТУ, Часть И, 2011-С.151-155.

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ueki М., Оуата Т., Sakai S., Nakamura Т. Influence of Staking Fault Energy on Plastic Flow of Cr-Ni austenitic Stainless steels. //Тэцу то хаганэ, 1985 т.71, № 6, С.743-748.

2. Вишняков Я.Д. Дефекты упаковки в кристаллических структурах. М., Металлургия, 1970, 216 с.

3. Трефилов В.Н., Фирстов С.А. //В кн.: «Металлофизика», вып.35, Киев, «Наукова Думка», 1971, С.11-34.

4. Bristowe P.D., Crocker A.G. A computer simulation study of the structures of twin boundaries in body-centred cubic crystals. //Phil. Mag., 1975, v 31 P 503-517.

5. Павлов B.A, Носкова Н.И, Кузнецов P.H. Влияние ДУ на механические свойства металлов. //ФММ, 1967, т. 24, № 5, С.947-965.

6. Вотинов С.Н., Максимкин О.П. К вопросу о роли дефекта упаковки в изменении структуры и свойств металлов и сплавов в результате радиационного и термического воздействия. // ВАНТ, Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение, 2002, №3 (81), С.23-30

7. Радашин М.В. Прерывистое выделение фаз и сверхпластичность сплава 36НХТЮ. Автореферат канд. дис. - Томск, 1997. - 20 с.

Подписано в печать 29.03.2012. Формат 60x84 1/16. Печать - цифровая. Усл.п.л. 1,39. Тираж 80 экз. Заказ 2012-198

Отпечатано в типографии АлтГТУ, 656038, г. Барнаул, пр-т Ленина, 46 тел.: (8-3852) 29-09-48

Лицензия на полиграфическую деятельность ПЛД №28-35 от 15.07.97 г.

61 12-1/908

на правах рукописи

Русакова Алена Викторовна

ВЛИЯНИЕ ДЕФОРМАЦИИ И ОБЛУЧЕНИЯ НА СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫЕ СОСТОЯНИЯ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НЕРЖАВЕЮЩИХ СТАЛЕЙ, СТАЛИ 110Г13Л И СПЛАВА 36НХТЮ

01.04.07 - физика конденсированного состояния

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук, доцент Алонцева Дарья Львовна

Барнаул 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Нормативные ссылки..............................................................................................................................4

Определения, обозначения и сокращения..........................................................................5

Введение..................................................................................................................................................................7

1 Современное состояние проблемы возникновения радиационных дефектов при облучении ионами высоких энергий и электронами аустенитных сплавов и нержавеющих сталей................................ 14

1.1 Структура и фазовый состав аустенитных нержавеющих сталей, применяемых в современном реакторостроении................................ 14

1.2 Процессы имплантации и исследование влияния ионного облучения на структурно-фазовое состояние и физико-механические свойства приповерхностных слоев нержавеющих сталей................................. 20

1.3 Радиационное упрочнение материалов под воздействием ионов высоких энергий.................................................................................... 28

1.4 Роль дефектов упаковки в мартенситном у—>а превращении................ 33

1.5 Радиационное упрочнение металлов и сплавов с различной энергией дефекта упаковки.............................................................................................. 43

1.6 Постановка задачи исследования................................................... 46

2 Материалы, методы и методики исследования.............................. 47

2.1 Материалы исследования............................................................ 48

2.2 Методы исследования механических и эксплуатационных свойств......... 56

2.3 Методы исследования структуры, состава и морфологии поверхности приповерхностных слоев исследуемых материалов............................ 60

3 Исследование закономерностей фазовых и структурных превращений в нержавеющих сталях при облучении и/или деформации...................................................................................................... 67

3.1 Исследование особенностей фазовых превращений при испытании нержавеющей стали 12Х18Н10Т на растяжение и сжатие..................... 67

3.2 Исследование процессов распыления, имплантации и фазово -структурных превращений в нержавеющей стали 12Х18Н10Т и некоторых чистых материалах, облученных высокоэнергетическими ионами з64А>+14........................................................................ 71

3.3 Радиационное упрочнение металлов и сплавов с различной ЭДУ (энергия дефекта упаковки), облученных высокоэнергетическими ионами ¡¡Кг+и........................................................................... 87

3.4 Влияние облучения тяжелыми ионами WC+ на мартенситное у—т превращение в нержавеющих сталях 12X18Н1 ОТ и XI5АГ14............... 92

3.5 Выводы по третьей главе............................................................. 98

4 Зависимость механических свойств и структурно-фазового состояния сталей 110Г13Л и 20X13 от малых допустимых отклонений в их химическом составе........................................... 100

4.1 Влияние небольших отклонений в химическом составе образцов стали 110Г13Л на структурно-фазовые превращения и ее механические свойства.................................................................................. 100

4.2 Влияние небольших отклонений в составе стали 20X13, на ее ударную вязкость...................................................................................

4.3 Выводы по четвертой главе......................................................... 131

5 Влияние электронного облучения на образование дефектов упаковки и механические свойства 2-х разных типов микроструктур в сплаве 36НХТЮ............................................... 133

5.1 Выводы по пятой главе............................................................... 153

6 Заключение........................................................................... 155

7 Список использованных источников........................................... 157

НОРМАТИВНЫЕ ССЫЛКИ

В настоящей диссертации использованы ссылки на следующие стандарты:

1. ГОСТ 5582-75. Лист нержавеющей стали 12Х18Н10Т;

2. ГОСТ 5632-72. Регламентация химического состава нержавеющих сталей аустенитного класса;

3. ГОСТ 25054-81. Поковка 12Х18Н10Т. Закалка с 1050-1100°С в воде или на воздухе;

4. ГОСТ 9450-76. Измерение микротвердости вдавливанием алмазных наконечников;

5. ГОСТ 1497-84. Методы испытаний на растяжение;

6. ГОСТ Р8.636-2007 ГСИ. Микроскопы электронные растровые. Методика калибровки;

7. ГОСТ Р8.630-2007 ГСИ. Микроскопы сканирующие зондовые атомно-силовые измерительные;

8. ГОСТ 3248-81. Методика испытаний на ползучесть;

9. ГОСТ 9454-78. Испытания на определение ударной вязкости;

10. ISO-CD 14577-4 Международный стандарт, использующийся для тестирования материалов методами индентации.

ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

В настоящей диссертационной работе использованы следующие

термины с соответствующими определениями, обозначениями и сокращениями

Н^ - Микротвердость

у - Фаза, матрица исследуемой стали 12Х18Н10Т, аустенит

(ГЦК-решетка)

а - Фаза, мартенсит (ОЦК-решетка)

£ - Фаза, мартенсит (ГПУ-решетка)

ГЦК - Гранецентрированная кубическая

ОЦК - Объемноцентрированная кубическая

ГПУ - Гексагональная плотноупакованная

ОЦТ - Объемноцентрированная тетрагональная

Y - Коэффициент распыления, ат/ион

Тпл - Температура плавления

МРИ - Микро - рентгеновские измерения

сна - Смещение на атом

ИБ - Импульсная бомбардировка

3 - Закалка

ВО - Высокотемпературная обработка

ДЦ - Дубнинский циклотрон

ЭЦР - Электрон - циклотронный резонанс

EBSD - Electron BackScattered Diffraction

Метод обратно - рассеянных электронов

АСМ - Атомно - силовая микроскопия

ау - Параметр кристаллической решетки аустенита (нм)

cIhkl - Межплоскостное расстояние

ДУ - Дефект упаковки

эду ■ - Энергия дефекта упаковки

дс ■ - Дислокационная структура

м - Мартенсит

< ■ - Намагниченность стального образца в начале разгружения

м) - Намагниченность образца в разгруженном состоянии

КВБ - Резерфордовское обратное рассеяние

РЭМ ■ - Растровая электронная микроскопия

пэм ■ - Просвечивающая электронная микроскопия

ЭЯПР - Элементарные ячейки прерывистого распада

тмо ■ - Термомеханическая обработка

сна - Смещение на атом

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Конструкционные материалы - материалы, из которых изготавливают детали конструкций, воспринимающих силовую нагрузку. Одним из приоритетных классов конструкционных материалов, используемых в современной промышленности, являются высокопрочные аустенитные стали.

Среди износостойких высокоуглеродистых марганцовистых сплавов, особое место занимает высокомарганцевая сталь Гадфильда, содержащая 1,15 вес. % С и 12 вес.% Мп. Такая сталь используется в дробильных установках, из нее изготавливают черпаки экскаваторов, траки гусениц, детали камнедробилок. Природа способности стали к упрочнению при внешних воздействиях, до сих пор не выяснена, однако повышение физико-механических свойств стали обусловлено протеканием в ней метастабильных структурных превращений, обуславливающих ее способность к интенсивному деформационному упрочнению под действием контактного нагружения.

Дисперсионно твердеющий сплав 36НХТЮ содержит мало или совсем не содержит С. Сплавы, содержащие 21-24 % Сг и 1,0 - 1,4 % № после нагрева до температуры, достаточной для растворения нитридов хрома в у-твердом растворе, и охлаждения в воде обладают сочетанием высокой прочности (ов=850 - 900 МПа), пластичности (ав=25-30%, 8=35-40%) и износостойкости. По абразивной износостойкости эти сплавы в 2-3 раза превосходят известную сталь 1 ЮГ 13 Л, а по стойкости против межкристаллитной коррозии - сталь типа 08Х18Н10Т. Для получения оптимального сочетания механических свойств сплавов необходимо установление зависимости их от способов и режимов обработок и соответственно от параметров структурно-фазового состояния материалов.

Однако, несмотря на исследования [1-5] дисперсионно твердеющих сплавов на Fe-Ni основе, не все особенности влияния ионно-лучевого воздействия и электронного воздействия на физико-механические свойства данных сплавов изучены. В частности, недостаточно сведений о влиянии структурно-фазовых превращений на механические свойства дисперсионно твердеющего сплава 36НХТЮ после электронного облучения.

Конструкционные материалы атомных реакторов эксплуатируются в жестких условиях одновременного воздействия температурных, силовых и радиационных полей. В результате облучения высокоэнергетическими частицами в материале образуются радиационные дефекты, накопление и эволюция которых ведут к изменению структуры и механических свойств материалов (упрочнению, снижению пластичности, зарождению и росту вакансий, пор). В результате ограничивается срок эксплуатации конструкционного материала и возрастает риск исчерпания пластичности и прочности конструкции. Таким образом, основной проблемой эксплуатации аустенитных сталей и сплавов в данном случае является их недостаточная радиационная стойкость. Высокий уровень распухания, как правило, сопровождается интенсификацией процессов радиационно-индуцированной сегрегации и фазовыделения. В результате этого может существенно ухудшиться коррозионная стойкость материала, что делает проблемным безопасное хранение отработавших TBC (тепловыделяющих сборок) в водной среде. Неблагоприятные изменения микроструктуры и свойств создают угрозу локального разрушения отработавших стальных конструкций и требуют соблюдения особых мер безопасного обращения с ними. В связи с вышесказанным встает задача прогнозирования поведения аустенитных сталей и сплавов в сложных условиях многофакторного воздействия облучения, градиентов напряжений и температуры. Это достигается путем учета таких факторов, как возможное мартенситное у—»a-превращение при деформации и/или облучении, аномалии физических свойств вблизи фазовых переходов, фазовый наклеп и др.

Целью работы является установление закономерностей процессов фазовых превращений, инициированных деформацией или облучением в различных конструкционных материалах и выявление связи между изменениями их структурно-фазового состояния и механическими характеристиками.

Объектами исследований являлись аустенитные нержавеющие стали 12Х18Н10Т и Х15АГ14, технически чистые металлы: Бе, №, Мо, марганцовистая сталь 1 ЮГ 13 Л, сталь 20X13 и дисперсионно-твердеющий сплав 36НХТЮ.

Для достижения цели работы необходимо решить следующие задачи:

1. исследовать влияние ионного облучения и деформации на у—»а -превращение и механические свойства нержавеющих сталей 12Х18Н0Т и Х15АГ14;

2. выявить основные механизмы радиационного упрочнения металлов и сплавов с различной энергией образования дефектов упаковки (ЭДУ);

3. определить зависимость механических свойств и структурно-фазового состояния сталей 110Г13Л и 20X13 от малых допустимых отклонений их химического состава;

4. установить основные закономерности влияния электронного облучения с определенным флюенсом на структурно-фазовое состояние и механические свойства сплава 36НХТЮ.

Степень обоснованности и достоверности результатов, полученных в работе, достигнута:

1. Использованием хорошо апробированных методик механических испытаний и взаимодополняющих методов физического эксперимента, таких как рентгенодифракционный, электронно-микроскопический и металлографический методы исследования, позволяющих проводить прямое изучение изменения структуры и фазового состава сплавов;

2. Корректностью постановки задач и обоснованным выбором материалов для исследований;

3. Достаточным объемом экспериментальных данных и их непротиворечивостью фундаментальным положениям физики конденсированного состояния.

Методы исследования. Механические испытания на одноосное растяжение и микротвердость, металлографические наблюдения, измерения намагниченности. В качестве основных методов структурного исследования применялись просвечивающая и растровая электронная микроскопия, атомно-силовая микроскопия (АСМ), рентгеноструктурный фазовый анализ.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые экспериментально установлены основные закономерности фазово-структурных превращений в сталях 12Х18Н10Т и Х15АГ14 при облучении высокоэнергетическими тяжелыми ионами (™Kr+u, WC+):

1. обнаружен эффект «мартенсита облучения» (без дополнительной деформации) в результате воздействия ионами ЦКг+ы (Е=131 МэВ,

1-Ю15, 4-1015, 6-1015, 9-1015 ион/см2) на нержавеющую сталь 12Х18Н10Т (1050°С, 30 мин). Установлено, что радиационное воздействие влияет в основном на процесс зарождения частиц а -фазы, а не на их рост;

2. экспериментально обнаружено, что эффект радиационного упрочнения стали 12Х18Н10Т связан с образованием мартенситной а-фазы, индуцируемой облучением;

3. выявлено, что даже небольшие изменения химического состава сталей 110Г13Л и 20X13 от стандартного могут привести к существенным изменениям их фазового состава;

4. на основании проведенных экспериментов показано, что

1 Q гу

электронное облучение (Е=2 МеВ, 1-10 част/см ) по-разному воздействует на образцы сплава 36НХТЮ, с различной предшествующей термообработкой: закаленные образцы

испытывают радиационное упрочнение, а в прокатанных и состаренных образцах повышается пластичность облученного материала с сохранением прочности за счет ускоренного выделения частиц Г) - фазы в у-матрице, сопровождающегося измельчением у-зерен. Положения, выносимые на защиту:

1. Результаты исследования структурно-фазовых превращений и механических свойств нержавеющей стали 12Х18Н10Т, облученной высокоэнергетическими ионами 3864Хг+14;

2. Закономерности влияния облучения тяжелыми ионами \¥С+ на мартенситное у—т превращение в нержавеющих сталях (12Х18Н10Т и Х15АГ14) и особенности радиационного упрочнения металлов и сплавов, облученных высокоэнергетическими тяжелыми ионами;

3. Зависимость механических свойств и структурно-фазового состояния сталей 110Г13Л и 20X13 от малых отклонений их химического состава;

4. Закономерности влияния электронного облучения с флюенсом Г1019 част/см2 на структурно-фазовое состояние и механические свойства сплава 36НХТЮ.

Практическая значимость полученных результатов:

Результаты, полученные в диссертации, могут быть использованы:

1. При создании деталей, работающих на износ в условиях трения, давления и ударных нагрузок;

2. При разработке современных теорий фазовых превращений в облученных материалах;

3. Обнаруженные эффекты влияния облучения тяжелыми ионами на у—>а превращение могут быть учтены при разработке физических основ создания конструкционных материалов с улучшенными механическими характеристиками.

Личный вклад автора. В процессе выполнения исследований автор принимал непосредственное участие в постановке цели и задач

исследования, изготовлении и облучении образцов, во всех экспериментах с облученными материалами, в обработке полученных результатов и формулировании выводов.

Связь темы с планами научно - исследовательских программ.

Данная работа выполненна в рамках республиканской целевой и научно - технической программы «Развитие атомной энергетики в республики Казахстан» МЭМР РК: тема «Исследование влияния параметров облучения и испытаний на микроструктуру, физико-механические и коррозионные свойства, характеризующие радиационную стойкость чистых металлов и промышленных сплавов, облученных нейтронами и заряженными частицами» (шифр 0.0490, 2009-2011гг., ГР №0109РК00379) и программы фундаментальных исследований МОН РК «Исследование структуры, механических и физических свойств материалов при радиационно-термических и ядерных взаимодействиях и механизмов взаимодействия ядер» по теме «Исследование закономерностей эволюции дефектной структуры, физико-механических и коррозионных свойств металлических поликристаллов и процессе их облучения и деформации» (2006-2008гг., шифр Ф 0369-11, ГР № 0106РК00533).

Апробация результатов работы.

Материалы диссертационной работы были доложены и обсуждены на следующих республиканских и международных конференциях и семинарах: 6-ой, 7-ой Международной конференции «Фазовые превращения и прочность кристаллов», г. Черноголовка, (Россия), 2009, 2010; 9-м международном уральском семинаре «Радиационная физика металлов и сплавов», Снежинск (Россия), 2011; VIII-th International Conférence Ion Implantation and other applications of ions and Electrons, Kazimierz Dolny, (Poland), 2010; 9-ой Международной конференции по физике радиационных явлений и радиационному материаловедению, г.Алушта (Крым, Украина), 2010; 6-ой Международной конференции «Прочность и разрушение материалов и

Th

конструкций», Оренбург (Россия), 2010; 15 International conférence on

Fusion reactor materials, Charleston, South Carolina, USA; 7-й, 8-й Международной конференции "Ядерная и радиационная физика", Алматы, (Казахстан), 2009, 2010гг.

Публикации.

Основное содержание работы изложено в 30 научных трудах, изданных в Республике Казахстан, ближнем и дальнем зарубежье, из них 2 научные статьи, опубликованные в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 5 - в изданиях, ре�