Влияние физико-химического воздействия лития на механические свойства кандидатных сталей бланкета ТЯР при кратковременном статическом нагружении тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

ВЛИЯНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ЛИТИЯ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КАНДИДЙГНЬК СТАЛЕЙ ЕЛАНКЕГА ТЯР ПРИ КРАТКОВРЕМЕННОМ СТАТИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ

01.04.07 - физика твердого тела

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

ВЕРТКОВ Алексей Викторович

АВТОР:

Москва - 1У91

Работа выполнена в НПО "Красная Звезда"

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Н.Д. Соболев.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, начальник лаборатории Иолтуховский А.Г.; кандидат технических наук, старший научный сотрудник Чернышов К.Б.

Ведущая организация - Научно-исследовательский и конструкторский институт энергетической техники, г.Москва.

Защита состоится " 03 " ,А4арУГ>С1 1992 г. в ¡6—часов на заседании специализированного совета К-053.03.02 в Московском инженерно-физическом институте по адресу: 115409, г. Москва, М-409, Каширское шоссе, дом 31, тел. 324-64-93.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке иститута.

Автореферат разослан " /£" лн^дрх 1992. Г.

Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации.

Ученый секретарь специализированного совета

В.Н. ■ Яльцев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ!

Актуальность работы. Обеспечение надежной и безопасной работы термоядерных рзакторов с иидкометаллическим бланкетом (OTP, ИТЭР и др.) включает в себя обоснованный выбор конструкционных материалов еще на стадии проектирования, в частности, с точки зрения стабильности их механических свойств.

Влияние жидких металлов и лития, как одного из перспективных тритийвоспроизводящих материалов, на механические свойства кандидатных сталей бланкета ТЯР изучено недостаточно. Мала база экспериментальных данных и отсутствует стройная система теоретических представлений.

Поэтому важное значение имеет разработка метода анализа влияния лития на-механические свойства конструкционных сталей, определение механизмов этого влияния и на этой основе разра-' ботка рекомендаций по выбору материалов литиевых систем ТЯР и других физических установок с целью.обеспечения надежности их работы.

Диссертационная работа выполнена в НПО "Красная Звезда" в соответствии с планом НИР по теме 0-05.02-П-01 (№ Государственной регистрации У15025).

Цель работы: получение экспериментальных данных о влиянии воздействия лития на механические свойства при кратковременной статическом растяжении'-нержавеющих хромоникелевых, хро-момарганцевых и хромистых сталей отечественных марок, перспективных для использования в жидкометаллических системах бланкета ТЯР, в условиях, близких к условиям их эксплуатации; определение основных закономерностей и механизмов этого влияния; формирование рекомендаций по выбору конструкционного материала жидкометаллических систем с точки зрения стабильности его механических свойств.

Достижение этой цели потребовало решения следующих задач?.

- разработка методики механических испытаний материалов в среде лития;

- разработка методики определения и анализа влияния воздействия лития на механические свойства конструкционных материалов в условиях, близких к условиям работы жидкометаллических систем бланкета ТИР;

- выполнение комплекса металлографических, микрорентгено-спектральных, фрактографических и авторадиографических исследований. > -

Научная новизна. Разработана методика механических испытаний в среде легкоплавких металлов, позволившая значительно упростить и сократить процедуру испытаний. Получены данные о влиянии воздействия лития на механические свойства хромоыар-ганцевых сталей отечественных марок и рассмотрены механизмы этого влияния. Исследовано влияние принеси водорода, являющегося химическим аналогом трития, в литии на механические свойства аустенитных хромоникелевых и хромомарганцевых сталей и определены его механизмы. Обнаружено и исследовано явление твердометаллического охрупчивания литием хромистых сталей. Разработана и обоснована модель твердометаллического охрупчивания. Исследовано влияние примесей внедрения и структуры сталей на проявление эффекта адсорбционного охрупчивания. На ос-.нове разработанного и реализованного систематического подхода к исследованию влияния воздействия лития и условий работы жидко-металлических систем бланкета ТЯР на механические свойства перспективных для использования сталей сформированы и обоснованы рекомендации по выбору конструкционной стали литиевого бланкета ТЯР и пути повышения стабильности ее механических сзойств.

Практическая ценность. Результаты диссертационной работы использованы в обосновании разрабатываемого проекта литиевого экспериментального модуля бланкета 01Р/И1ЭР, внедрена методика исследования влияния воздействия легкоплавких металлов и сплавов на механические свойства конструкционных сталей, что подтверждено соответствующими актами внедрения.

Установленные закономерности, разработанные модели и изученные механизмы могут быть использованы в развитии современных представлений о природе влияния воздействия легкоплавких металлов на механические свойства твердых металлов.

. На защиту выносится: методика комплексных экспериментальных исследований влияния воздействия лития и других легкоплавких металлов и сплавов на механические свойства конструкционных материалов, имитирующая условия работы жидкометаллических систем бланкета ТЯР; экспериментально установленные закономерности и эффекты, проявляющиеся в изменении механических свойств нержавеющих хромоникелевых, хромомарганцевых и хромистых сталей при воздействии лития; предложенные модельные представления и установленные механизмы влияния Бездействия датия на нержавеющие стали; рекомендации по выбору конструкционной стали литиевых систем бланкета ТЯх-1 с точки зрения стабильности ее механических

свойсте; рекомендуешь режимы использования сталей и пути повышения стабильности лх механических свойств.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на 1У Международной конференции по исследованию и разработке конструкционных материалов для реакторов термоядерного синтеза (г. Дубна, 29-31 января 1990 г.).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в 5 публикациях.

Структура и объем работы. Диссертационная работа- состоит из введения, четырех глав, заключения, выводов и приложения. Работа содержит //0страниц машинописного текста, 4¿"страниц рисунков, ^таблиц, список использованных источников из 103 наименований.

С0Д£РЙА1МЕ РАБОТЫ

В работе проведен критический анализ и систематизация изложенных в литературе сведений, достижений и основных представлений в области исследования влияния воздействия легкоплавких металлов на механические свойства металлических конструкционных материалов. В частности, рассмотрены достижения, и иссле,пег'гл:ии влияния воздействия лития на свойства перспективных конструкционных сталей кидкометаллических систем блан-кета ТИР и влияние факторов, характерных для их работы. Обоснован выбор направления исследования и сформулирована цель дис-серт&длокной работы.

В диссертационной работе приведены результаты проведенного исследования влияния физико-химического воздействия лития на механические свойства перспективных к использованию в ТЯР нержавеющих хромоникелевнх (10Х18ЫСЕ-ВД, 0Ж16НПМЗ, 09Х16Н15МЗБ) ' и хромомарганцевых (06Х12Г14Н4Ш, С6Х17П9НЗАЕ, 10X121'20В, 07Х13АГ20) аустенитных сталей, хромистых ферритных, ферритно--мартенситных и мартенситных сталей (12X17, 12X13, 12Х12)Л2Б&Р, 16Х12МВВ1>Р, 16Х12МБВЗДР, 20X13). Механические свойства - предел упругости (о0щ, предел текучести 60.2 , предел прочности , относительное удлинение 8~ и относительное сужение У определялись при статическом одноосном растяжении на плоских образцах с размером расчетной части 18x3x1 мм. Механические испытания сталей проводились при скоростях деформирования на специально разработанной вакуумной испытательной машине (при температурах 293К) и на модернизированной испытательной машине Р-С,о с низкотемпературной приставкой (при температурах<293К).

Схема однократного статического нагружения, выбранная в работе, близка к условиям нагружения конструкций бланкета' ТЯР при'переходных режимах их работы в процессе запуска и остановки реактора.

Исследование влияния воздействия лития основывалось на разработанной методике, позволяющей имитировать уоловй'я работы ■ конструкционных сталей в жидкометаллических системах ТЯР и • определить вклад в изменение их механических свойств процессов коррозионного и адсорбционного воздействия лития.- Схема проведения испытаний и анализа их результатов представлена на рис. I, где Х - характеристика прочностных ■ или пластических свойств сталей. Механические испытания проводились в инертной среде (а) и в литии (б) на образцах сталей в исходной состоянии или после предварительной выдержи без нагрузки й-инертной среде (и.с.) или после предварительной вццержйи' без нагрузки в среде жидкого металлического лития (ж.м;).' Резулв-тирующее влияние воздействия лития на механические свойства' сталей (I) определялось из сравнения результатов, полученных' при испытаниях в инертной среде образцов сталей в исходном состоянии или прошедших предварительную выдержку без нагрузки в инертной среде /(и.е.),а/, с результатами, полученными на образцах стааей, предварительно выдержанных без нагрузки и испытанных в среде лития /(ж.м.),б/. Вклад коррозионного воздействия лития в изменение механических свойств сталей (2) определялся из сравнения результатов испытаний, проведений в инертной среде, на образцах, прошедших предварительную' Издержку в инертной среде и в литии - /(и.е.),а/ с /(ж.м.>,а/. Вклад адсорбционного воздействия лития в изменение механических свойств сталей (3) определялся из сравнения результатов испытаний в'инертной среде и в литии образцов в различном" исходном состоянии - /(и.е.),а/ с /(и.е.),б/. Изменение вклада адсорбционного воздействия лития (4) вследствие протекания коррозионных процессов (наведенное коррозией адсорбционное воздействие) определялось из'сравнения результатов Механических испытаний в инертной среде и среде лития образце8$ пропгед-'ших предварительную выдержку'в ли*ий /(й.м.),а/ с /(ж;м.),б/., Механические испытания сталей в среде Лития проводились; по специально разработанной Методике, позволившей'значительно упростить я сократить время проведения йспыт&ний по сравнению с известными методами. Она заключалась в следующем: на расчетную часть образца устанавливалась сетца из нержавеющей стали; прй-

Рис. I. Схема проведения испытаний и анализа результатов.

I 2 3

Рис. 2. Образец для механических испытаний в среде лития:

I- образец, 2- сетка, 3 - литий.

мытый образец с сеткой погружался в ванну с обезвоженным керосином, в среде которого на образец укреплялся предварительно очищенный от окислов кусочек лития; подготовленный таким образом образец устанавливался в захваты вакуумной испытательной машины; смачивание поверхности образца литием проводилось при температуре 773К в течение 5 минут в вакууме 1,ЗЗ.Ю_3Ла; . нагружение образца осуществлялось в выбранном интервале температур 203-273К, включающем и температуры эксплуатации их в ТЯР. Ви£ образца для механических испытаний в литии представлен на рис. 2. Имитация условий работы жидкометаллических систем включала в себя и проведение предварительных коррозионных испытаний образцов сталей в литии как в статических условиях в ампулах, так и в потоке лития в конвекционной неизотермической петле. Материал ампул и петли был близок по составу к материалу образцов. Гетерогенность жидкометаллических систем ТЯР имитировалась введением в статический литий совместно с образцами сталей пластин ниобия (НВЧ). Влияние неметалли- • ческих примесей в литии на свойства исследуемых сталей определялось по результатам механических испытаний образцов, выдержанных в литии, содержащем контролируемое количество примеси азота (0,1%) и водорода (0,05-1,1%), заданное введением соединений ¿/¿Л/ и ЫЦ . Коррозионные испытания образцов проводились при 773-973К в течение 1000-2200 часов.

Для выяснения механизмов влияния воздействия лития на механические свойства сталей были проведены следующие исследования: микротвердости (наШЕГ-З); металлографические, фракто-графические и микрорентгеноспектральные (на установке "СатеРах"); авторадиографические (методом трековой авторадиографии с применением твердотельных детекторов на реакторе ИРГ-2000).

Результаты выполненных исследований свойств группы хромо-никелевых сталей показали, что: влияние воздействия лития на механические свойства этих сталей является суммой вкладов его коррозионного и адсорбционного воздействия; закономерности влияния термического воздействия, коррозионного и адсорбционного воздействия лития- на механические свойства этих сталей носят общий характер и обусловлены протеканием одних и тех же I процессов; наблюдаемое различие в изменении свойств этих сталей связано с различием их химического состава, который определяет коррозионную стойкость и стабильность аустенитной'структуры сталей,, наличие примесей внедрения и их нахождение вэтвер-'

дом растворе либо в виде соединений.

Как было установлено, влияние коррозионного воздействия лития связано с выносом примеси углерода из сталей, рекристаллизацией, образованием хрупкого поверхностного ферритного слоя вследствие селективного выноса аустенитостабилизирующих элементов (преимущественно никеля). Вынос примеси углерода и рекристаллизация является взаимосвязанными процессами и приводят к пластификации сталей (рис. 3). Первый из них является определяющим. Образование хрупкого поверхностного ферритного слоя, пропитанного литием, не оказало заметного влияния на механические свойства сталей, так как его доля в сечении образцов была мала и не превышала 7%. Проникновение лития и стали на глубину, превышающую толщину коррозионного слоя, не наблюдалось и не оказывалось на механических свойствах сталей.

Влияние примеси водорода в литии в результате предварительного коррозионного испытания сказалось на механических свойствах хромоникелевых сталей вследствие интенсификации процессов обезуглероживания и связанной с ним рекристаллизации, что проявилось в повышении пластичности сталей (рис. За). Интенсификация процесса обезуглероживания, как известно, связана либо с повышением равновесной растворимости углерода в литии в присутствии водорода, либо с частичным выходом его в газовую фазу в виде соединения Сг Нц . Водородного охрупчивания сталей в водородосодержащем литии не наблюдалось.

Исследование адсорбционного воздействия лития на хромо-никелевые стали показало (рис. 36) для сталей в аустенизиро-ванном состоянии и стабилизированных по примеси углерода, что этот тип воздействия лития не приводит к изменению механических свойств. Это обусловлено свойствами присущей этим сталям ГЦК структуры, отсутствием эффективных барьеров для движения дислокаций и концентраторов внутренних напряжений. Стали нестабилизированные по примеси углерода в исходном деформированном состоянии склонны к проявлению адсорбционного охрупчивания (рис. Зг), что наблюдалось впервые, вследствие наличия в их структуре источников зарождения трещин. Впервые полученные результаты показали для нестабидизированных хромоникелевых сталей проявление наведенного коррозией адсорбционного охрупчивания, являющегося следствием выноса углерода из сталей (рис. Зб,г). Увеличение температуры и времени воздействия лития, а так же наличие потока лития, как показали эксперименты, приводило к увеличению коррозионного воздействия

Рис. 3. Относительное сужение стали 06Х16НПМЗ, испытанной при 523К и £ = 4.10"5с"1 в вакууме (а,в) и литии (б,г), прошедшей коррозионные испытания а ауотениэированном (а,б) и холоднодеформированном (в,г) состоянии при 87ЗК 2200ч п аргоне (I), в литии (2,4), в литии с 0,05$ Н (3,5) а статических (2,3) и динамических (4,5)

условиях.

д'с/ * 'п

60

40

20

О

р

07Х13АГ20

I

2 3

10Х12Г20В 06Х12Г14Н4ЮМ

I

2 3

2 3

удлинение хромомарганцевых сталей, К и ¿* 1.10~3с , прошедших корро-

Рис. 4. Относительное испытанных при 293К эиошшо испытания при 723К в течение 1050ч з аргоне (I), в статическом литии (2), в потоке лития (3).

лития на стали и к большему изменению их механических свойств.

Проведенные исследования хромомарганцевых сталей показали, что основные закономерности и механизмы влияния воздействия лития при Т ^ 723К на их механические свойства аналогичны установленным для хромоникелевых сталей (рис. 4). Отличительной особенностью хромомарганцевих сталей является меньшая стабильность их механических свойств при коррозионном воздействии лития вследствие более высокой по сравнению с никелем растворимости марганца и меньшей стабильности их аустенитнои структуры. Протекание коррозионных процессов при температурах вше 723К приводило к охрупчиванию хромомарганцевых сталей (рис. о). Как было установлено, оно вызвано: проникновением лития е стали г.с гсжзеренньм границам, что особенно характерно для сталей легированных азотом; сменой механизма деформирования путем скольжения дислокаций в решетке аустенита на деформирование путем % -» (Л или £ превращения под нагрузкой при температурах473К вследствие дестабилизации аустенита при выносе в литий аусте-нитостабилизирущих элементов (марганец, углерод, азот); протеканием бездеформационного фазового превращения у£■ при температурах ниже 573К (рис. 6).

Влияние водородосодержащего лития на хромокарганцевые стали связано с интенсификацией выноса углерода, но, в противоположность хромоникелевым сталям, оно приводило к их охрупчиванию (рис. 7) вследствие дестабилизации аустенита с выносом углерода, что особенно проявлялось при деформировании сталей при температурах близких к 293К.

Адсорбционное воздействие лития не привело к изменению механических свойств хромомарганцевых сталей в аустенизирован-ном состоянии, что связано с причинами, установленными при рассмотрении аустенитных хромоникелевых сталей.

Изучение механических свойств хромистых сталей включало в себя исследования влияния термического воздействия, влияния коррозионного и адсорбционного воздействия лития, влияния структуры, предварительной термообработки сталей и примесей внедрения на проявление воздействия лития.

Коррозионное воздействие лития на хромистые стали привело к заметному изменению их механических свойств, проявившемуся в пластификации и разупрочнении сталей (рис. 8). Как было установлено в результате проведения авторадиографических, рентгеноспектральных и металлографических исследований, это

) д

60

ЮХ12Г20В

07Х13АГ20

06Х17Г19НЗАБ

40

Рис. 5. Относительное удлинение испытанных при 293К и <£

инениз хромомарганце ЗК и ¿= 1.10~^с :

евых сталей,

в исходно;.! состоянии (I); прошедших коррозионные псь.чтанич при с373К в течение 1050ч в аргоне (2),

в статическом литии (3).

0 1_

Рис. 6. Относительное удлинение стали 06Х12Г14Н4ЮМ,

испытанной при 293К (а) и 673К (б),£ = 1.10~3с-1 в исходном состоянии (I), после коррозионных испытаний в аргоне (2) ив литии (3) при 873К в течение 1500ч.

Рис. 7. Относительное удлинение стали 06Х12Г14Н4ЮМ, испытанной при 293К (а) и 873К (б) поело коррозионных испытаний в литии (I), литии с 0,02% Н (2) и литии с 1,1% Н (3) при 873К в течение 600 ч.

Ш

80

60

40

20

б

I

I

I

2

2

3

2

I

Рис. 8. Относительное сужение стали 12Х12М2БФР, испытанной в вакууме (а,в) и в литии (б,г) при 523К, прошедшей коррозионные испытания в аргоне (I), в литии (2), в литии с ниобиовым геттером (3) при 873К в течение 1400ч; с коррозионным слоем (а,б) и поело стравливания коррозионного слоя (в,г)

связано с протеканием процесса выноса примесей внедрения из стали в литий или их переносом на материалы, имеющие большее сродство к ним. Степень изменения механических свойств хромистых сталей возрастала с ростом интенсивности протекания процесса выноса примесей внедрения, что наблюдалось при повышении температуры, наличии эффективного стока для примесей внедрения (присутствие в литии пластин ниобия). Показано, что адсорбционное воздействие лития оказывало сильное влияние на механические свойства хромистых сталей, что проявлялось в виде явления жидко- и твердометаллического охрупчивания (шО и ТМО) в интерзале температур деформирования 223-720К (рис. 9). Как видно из рис. 10, степень охрупчивания, характеризуемая величиной коэффициента влияния среды ~ ( ^и)/^^ гДе '

^алк и ~ относительное сужение стали при испытании в вакууме и литии соответственно, не зависила от агрегатного состояния лития, а была связана с механическими свойствами • хромистых сталей, задаваемых их составом, предварительной термообработкой и температурой нагружения. Степень адсорбционного охрупчивания сталей не зависила от скорости деформирования. Установлено, что определяющими чувствительность сталей к адсорбционному охрупчиванию являются особенности процесса -их пластической деформации, протекающей в теле и по границам зерен. Для ферритно-мартенситных и мартенситных сталей важную роль играли процессы образования и распада мартенсита при предварительной термообработке, которые сказывались на процессе их пластического деформирования, что в конечном итоге определяло склонность этих сталей к ЖМО и ТМО литием. Кроме того, важную роль в проявлении ЖМО и ТМО хромистых сталей (особенно ферритных) играли процессы взаимодействия примесей внедрения с дислокациями. Как было показано, температурные границы проявления ШО и ТМО определяются температурными границами эф- • фективного торможения дислокаций атомами примесей внедрения. Особая роль примесей внедрения в проявлении- адсорбционного охрупчивания литием сталей и железа была показана в экспериментах с железом марки ОСЧ и Армко, где было установлено полное отсутствие охрупчивания литием высокочистого железа. Увеличение степени адсорбционного охрупчивания в результате коррозионного воздействия лития на стали 12Х12М2ЕФР (рис. 8), 16Х12МВБЗР и 16Х12МВБФАР объясняется выносом легирующей примеси бора.

Рис. 9. Температурная зависимость механических свойств стали 12Х12М2БФР: а - (Эв(?), Д ); б (О); испытание в вакууме ( О, Д ) ив литии (©3 Д

173

273 373 Т,К 173 273 373 Т,К

Рис. 10. Температурная зависимость

"коэффициента влияния среды КЧ/ сталей: 12Х12М2БФР (а), 12X13(б,в), железа-Армко (г), 20Х13(д.е), 12X17 (к) после следующей термообработки: (а,в,е) - нормализация при 1323К и отпуск 993К Зч, охлаждение на воздухе; (б,д) - нормализация 1323К и отпуск 1073К 5ч, охлаждение в воду; (е) - отжиг 1053К Зч; (г) - отжиг Ю73К I час.

В результате обсуждения механизмов ЖМО и ТМО показано, что наиболее плодотворный подход к объяснению адсорбционного охрупчивания сталей литием основан на положениях модели, учитывающей особенности пластической деформации поверхностных слоев сталей в результате адсорбционного понижения поверхностной энергии. Приведены экспериментальные доказательства единства природы ЖМО и ТМО - непрерывность зависимости (р(Т) (рис. в,9), зависимость степени ШО и ТМО от термообработки сталей (рис. 9) и др. Предложена модель ТМО, заключающаяся в том, что в результате адсорбционного понижения поверхностной энергии стали в присутствии лития при деформировании у поверхности формируется упрочненный слой с повышенной плотностью дислокаций, являющийся источником зарождения трещин. То есть, на фазе зарождения трещины механизмы ЖМО и ТМО едины. На фасе развития трещины е случае ТМО атомы лития не проникают к ее вершине и развитие трещины зависит только от свойств стали. Адсорбционное воздействие лития играет роль лишь на стадии зарождения трещин.

Проведенный анализ литературных данных, результатов выполненных в диссертационной работе экспериментальных исследований, установленных закономерностей и механизмов влияния воздействия лития на механические свойства нержазеющих сталей в условиях, близких к условиям работы жидкометаллических систем бланкета ТЯГ3 позволил сформулировать'рекомендации по выбору конструкционной стали бланкета, определению режимов ее эксп-луатьции и повышению стабильности ее механических свойств. Показано, что наиболее предпочтительными для использования являются малочувствительные к адсорбционному и коррозионному воздействию лития аустенитные нержавеющие стали, отвечающие следующим требованиям: аустенитная структура с большим запасом стабильности при изменении химического состава стали, термическом и механическом воздействии; низкое содержание примесей внедрения, находящихся в твердом растворе; отсутствие в составе стали примеси азота; легирование эффективными карбидообразокателями (титан, ниобий). Среди сталей аустенит-ного класса,наибольшей стабильностью механических свойств при воздействии лития обладают хромоникелезые стали. Показано, что наиболее предпочтительно использование в литиевых системах сталей типа Х16Н1ЖЗБ и Х16НШ13. Повышение стабильности их механических свойств при воздействии лития и лития с примеськ

водорода может быть достигнуто легированием сильными карбидо-образователями (титан, ниобий и т.д.). Использование хромо-никелевых сталей в системах ТЯР в контакте с литием допустимо: в статических условиях при температурах не превышающих 873К; в потоке лития - 823К.

Установлено, что по стабильности механических свойств хромомарганцевые стали уступают хромоникелевым. Использование их возможно при учете следующих требований: отсутствие в их составе азота в качестве легирующего элемента или загрязняющей примеси; температура длительного воздействия лития не должна превышать 723К. Повышение стабильности свойств этих сталей может быть достигнуто путем их легирования углеродом в сочетании с карбидообразующими элементами.

Использование хромистых сталей в литиевых, жидкометалли-ческих.системах ТЯР имеет серьезное ограничение. В случае использования хромистых сталей в контакте с литием следует руководствоваться следующими правилами: предпочтение при выборе стали следует отдавать статям с ферритной структурой и низким содержанием примесей внедрения в твердом растворе, легированным элементами, стабилизирующими примесь углерода (вольфрам, молибден, ниобий) или бором; ферритно-мартенсит-нке и мартенситные стата необходимо подвергать продолжительному высокотемпературному (~900К) отпуску после всех видом термической и механической обработки и сварки, легированные бором хромистые стали допустимо эксплуатировать в контакте с литием при температурах, не превышающих 823К. Наиболее' благоприятны:-; для эксплуатации хромистых сталей под нагрузкой в контакте с литием является интервал температур 720-823К.

вывода

1. Разработана методика,и получены экспериментальные данные по исследованию влияния физико-химического воздействия лития в условиях, близких к условиям работы жидкометаллических систем бланкета ТЯР на механические свойства конструкционных .сталей, показавшие, что влияние лития обусловлено суммой вкладов его коррозионного и адсорбционного воздействия. ^

2. Показано, что на механические свойства аустенитных хромоникелевых сталей определяющее влияние оказывает' коррозионное воздействие лития, связанное с механизмом выноса легкорастворимых компонентов сталей (хром, никель) и примесей внедрения, (углерод), что приводит к изменению их химического.

фазового состава и структуры. Адсорбционное воздействие лития fia эти стали не приводит к изменению их механических свойств, }сотя и проявляется в виде слабо выраженного жидкометаллического рхрупчивания для сталей нестабилизированных по примесям внедрения. Хромоникелевые стали обладают наиболее стабильными механическими свойствами при воздействии лития среди перспективных для использования в ТЯР сталей. Наиболее предпочтительно использование в ТЯР стали типа Х16Н15МЗБ и XT6HIIM3 в модификации, содержащей элементы, стабилизирующие примеси внедрения. Использование хромоникелевых сталей в контакте с литием допустимо в статических условиях при температурах, не превышающих 67ЗК, а в потоке лития - 823К.

3. Обнаружено существенное влияние воздействия лития на механические свойства хромомарганцевых сталей. Снижение пластичности сталей при температурах воздействия лития выше 723К обсуловлено либо изменением фазового состава и механизма деформирования вследствие дестабилизации аустенита при выносе

в литий марганца, углерода и азота, либо сильным межзеренным проникновением лития в сталь, что характерно для,сталей, содержащих в своем составе -азот. Хромомарганцевые стали целесообразно использовать в литиевых системах при температурах не выше 723К. Легирование их азотом, применяемое в металлургической практике с целью стабилизации аустенита, совершенно недопустимо. Повышение стабильности механических свойств этих сталей, может быть достигнуто путем легирования углеродом в сочетании с карбидообразующими элементами.

4. Показано, что хромистые стали подвержены сильному адсорбционному воздействию лития, проявляющемуся в виде жидко-и твердометаллического охрупчивания, степень которого определяется эффективностью барьеров для движения дислокаций и концентраторов напряжений в сталях. Установлено, что адсорбционное воздействие лития на эти стали является лимитирующим фактором при их использовании в литиевых системах ТЯР и наиболее опасным температурным интервалом при эксплуатации этих сталей является интервал 223-720К. Предложена модель твердо-металлического охрупчивания, показана роль примесей внедрения

и состояния структуры сталей в проявлении адсорбционного охрупчивания. Установлено, что влияние коррозионного воздействия •' лития, связанного с процессом выноса примесей внедрения, на механические свойства хромистых сталей определяется результа-

том наложения вызванного коррозией- пластифицирования и роста вклада адсорбционного охрупчивания.

5. Установлено, что наличие примеси водорода в литии в концентрациях 0,02-1,1% влияет на стабильность механических свойств хромоникелевых и хромомарганцевых аустенитных сталей. Установлен механизм этого влияния, заключающийся в интенсифи-

. кации выноса примесей внедрения из сталей в литий. Показано, что действие этого механизма приводит для хромоникелевых сталей к пластификации вследствие обеднения твердого раствора и интенсификации процесса рекристаллизации, а для хромомарганцевых сталей - к охрупчиванига вследствие образования £ и оС фаз и смены механизма деформирования при температурах ниже 523К.

6. На основе систематических исследований' влияния воз-' действия лития и факторов, характерных для работы литиевых жидкометаллических систем бланкета ТЯР, сформулированы рекомендации по выбору конструкционной стали и режима ее эксплуатации с точки зрения стабильности механических свойств и показаны пути стабилизации свойств сталей.

ПУБЛИКАЦИИ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. Стабильность механических свойств конструкционных материалов бланкета ТЯР при воздействии жидких металлов/А.В. Вертков, В.А. Евтихин, И.Е. Люблинский, A.A. Сычев/Дез.докл. 1.У Международной конф. по исследованию и разработке конструкционных материалов для реакторов термоядерного синтеза'(Дубна, 29-31 янв. 1990г. ).чМосква.-1990.-СЛ7.

2. Влияние коррозионного воздействия лития на механические свойства малоактивируемых хромомарганцевых сталей/ И.Е. Люблинский, Е.В. Дёмина, A.B. Вертков и др.// Там же.-С.35.

3. Воздействие жидкого лития на малоактивируемую хромо-марганцевую сталь/И.Е. Люблинский, Е.В. Дёмина, A.B. Вертков и др.//Физ. и хим. обработки Материалов.-1990.-№3.-0.131-137.

4. Адсорбционное воздействие жидкого лития,на механические свойства стали 12Х12М2ШР/ A.B. Вертков, В.А. Евтихин, И.Е. Люблинский, A.A. Сычев// ФХШ.г1990.-№2.-С.37-40. \ |

5. Твердометаллическое охрупчивание литием хромистых нержавеющих сталей/А.В. Вертков, В.А. Евтихин, И.Е. Люблинский и др.// ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез.-1990.—Вып.4.-С.59-64.