Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Влияние облучения на механические свойства металлов 7
1. Образование структурных дефектов в металлах при облучении 7
2. Изменение механических свойств облученных металлов 15
3. Радиационно-усиленная диффузия и ползучесть металлов 22
4. Механизмы радиационной ползучести 25
5. Заключение 33
Глава II. Изменение механических свойств нержавеющих сталей под действием электронного облучения 35
1. Методика эксперимента 35
2. Нержавеющие стали типа 316 и ЭП838 38
3. Нержавеющие стали XI8HI0T и 000ХІ4КІЗН4МЗТВД...43
4. Заключение 47
ГЛАВА III. Влияние электронного облучения на ползучесть нержавеющих сталей 49
1. Установка для исследования ползучести металлов методом кручения в условиях облучения. Методика эксперимента 49
2. Нержавеющая сталь типа 316 61
3. Нержавеющая сталь типа ЭТТ838 64
4. Обсуждение результатов 67
5. Накопление дополнительной деформации в сталях при циклическом облучении 73
6. Заключение .76
ГЛАВА ІV. Исследование природы и закономерностей эшекта мгновенного ускорения ползучести в переходные периоды облучения 78
1. Ползучесть никеля в условиях циклического электронного облучения 78
2. Термоактивационный анализ радиационной и термической ползучести никеля 81
3. Эволюция скорости ползучести при циклическом облучении 89
4. Радиационно-стимулированные структурные изменения и эволюция эффективного напряжения при ползучести во время облучения 94
5. Заключение 106
Выводы 108
Литература
- Изменение механических свойств облученных металлов
- Нержавеющие стали типа 316 и ЭП838
- Нержавеющая сталь типа ЭТТ838
- Термоактивационный анализ радиационной и термической ползучести никеля
Введение к работе
Все более высокие темпы развития атомной энергетики, в том числе и разработка новых типов реакторов и работы по проектированию термоядерных реакторов (ТЯР), предъявляют все более жесткие требования к радиационной стойкости конструкционных материалов. Например материалы первой стенки ТЯР должны обладать, кроме комплекса обычных свойств, необходимых для всех конструкционных материалов, такими характеристиками как высокая фазовая стабильность, высокое сопротивление ползучести и распуханию, минимальный блистеринг - и все это в условиях облучения нейтронами с энергией 14,1 МэВ и cL --частицами с энергией 3,5 МэВ дозами, соответствующими, по не самым высоким оценкам, 11-13 смещ/ат в год.
В этой связи перед исследователями, работающими в области радиационного материаловедения, стоит сложная задача - научить' ся получать материалы с высокой радиационной стойкостью и прогнозировать изменение их свойств до очень высоких доз облучения. Ясно, что путь прямых натурных испытаний во многих случаях неприемлем как из-за большой длительности и высокой стоимости таких испытаний, так и из-за физической невозможности в ряде случаев провести испытания в реальных условиях эксплуатации ТЯР. Оценки показывают, что условия работы материалов в ТЯР будут очень жесткими, а практические возможности моделирования основного вида воздействия - нейтронов с энергией 14,1 МэВ - весьма ограничены.
Одним из перспективных путей решения задач радиационного материаловедения в подобных условиях является исследование физической природы эффектов, вызываемых облучением, с тем
-5-чтобы, опираясь на знание физики явлений, правильно оценивать возможные последствия воздействия облучения на определенные свойства материалов. В ряду таких свойств для конструкционных материалов одним из наиболее важных является стабильность механических свойств в условиях облучения. Причин изменения механических свойств при облучении может быть много, и основная задача исследователей - определить, какие из них наиболее сильно проявляются в данных конкретных условиях эксплуатации. Чтобы сделать это, вовсе нет необходимости проводить исследования в натурных условиях, скорее наоборот, исследования в лабораторных условиях позволяют быстрее и надежнее изучить возможные причины изменения свойств и их последствия.
При исследовании влияния облучения на свойства, определяемые, хотя бы частично, диффузионными процессами, наиболее удобным является проведение исследований в условиях электронного облучения с энергией несколько МэВ. Такое облучение не создает в материале никаких других дефектов, кроме равномерно распределенных в объеме пар Френкеля - вакансий и междоузель-ных атомов,- то есть весь эффект облучения заключается в введении в материал избыточной концентрации радиационно-образо-ванных точечных дефектов. Практически все наблюдаемые при таком облучении эффекты обусловлены радиационным усилением диффузии, что позволяет более достоверно оценивать возможность протекания в материалах радиационно-стимулированных структурно-фазовых изменений и их влияние на свойства материала.
Исследование влияния радиационного усиления диффузионных процессов на механические свойства конструкционных материалов, рассматриваемых в качестве кандидатных материалов для первой стенки ТЯР - нержавеющих сталей - и является основной задачей
предпринятого исследования. Особое внимание уделено исследо ванию влияния облучения на ползучесть металлов.
Изменение механических свойств облученных металлов
Определение механических свойств металлов и сплавов обычно проводят при кратковременных испытаниях с постоянной скоростью деформации, чаще всего при растяжении - метод активного растяжения. При этом определяют основные характеристики: предел прочности, или временное сопротивление разрыву о"в , предел текучести (ог и относительное удлинение до разрушения о (иногда и относительное сужение УГ ). Часто вместо предела текучести определяют условный предел текучести - напряжение, вызывающее определенную степень деформации ( например 0,2% -&оа) Известно, что пластическая деформация металлов обусловлена движением дислокаций в определенных плоскостях и естественно, что появление в кристаллической решетке дополнительных препятствий для движущихся дислокаций, или увеличение числа этих дислокаций, обусловленное радиационно-стимулированными структурными изменениями, должно приводить к изменению напряжения начала пластической деформации, мерой которого служит предел текучести, так же как и других характеристик. Изменение механических свойств облученных металлов зависит от особенностей взаимодействия существующей дислокационной структуры со сложным комплексом радиационных повреждений.
В общем случае в процессе облучения могут происходить следующие изменения структурного состояния металла: I.Увеличение общей плотности дислокаций за счет образования дислокационных петель; 2.Появление мелкодисперсных выделений других фаз или, например, распад пересыщенного твердого раствора за счет ра-диационно-стимулированных фазовых превращений; 3.Образование пор и газообразных примесей; 4.Появление негазовых продуктов трансмутационных превращений. Появляющиеся в облученном метал -16 ле дислокационные петли могут быть подвижными, и в этом случае их появление только облегчает макроскопический эффект деформации металла при динамических испытаниях, и неподвижными (имеется в виду процесс скольжения дислокаций) - и тогда они будут служить стопорами для подвижных дислокаций. Весьма эффективными стопорами являются, например, мелкодисперсные выделения, поры, газовые пузыри. Негазовые продукты ядерных реакций также могут выделяться в количествах, превышающих предел растворимости, и изменять тем самым фазовый состав сплава.
Таким образом, облученный металл характеризуется дополнительным спектром препятствий для движущихся дислокаций, которые можно, следуя [_48j , подразделить на слабые (F 0,25 : сетки дислокаций, вакансионные скопления), промежуточные (0,25MF F 0,5 D4, : малые призматические петли, когерентные выделения) и сильные (F 0,5р№- : петли Франка, поры, дисперсные выделения, газовые пузыри. F - сила, необходимая для преодоления препятствия, м - модуль упругости, о -- вектор Бюргерса). Наиболее слабыми барьерами являются дефекты, создающие симметричные поля напряжений (вакансии), дефекты с тетрагональными полями являются промежуточными барьерами (меж-доузельные атомы в гантельной конфигурации), неподвижные петли, большие поры и пузыри, дисперсные выделения являются весьма сильными барьерами для движущихся дислокаций.
Эффект радиационного упрочнения металлов чаще всего проявляется в увеличении предела текучести облученного металла и неоднократно наблюдался экспериментально. Качественно эффект легко объясним и сложность заключается в количественном описании радиационного упрочнения. Такое описание должно содержать сведения о виде препятствий, их распределении по размерам (мощности) и в пространстве предложил модель упрочнения за счет создания в каскадах смещений обедненных зон (областей, перенасыщенных вакансиями). В простейшем случае считается, что все барьеры, пересекаемые дислокацией, одинаковы и распределены равномерно в объеме облученного металла. Такая модель предсказывает зависимость критического напряжения сдвига от температуры в виде G ss - Т , а от дозы облучения і в виде 6 5 ( Ш ) . Экспериментально такие зависимости обнаруживались неоднократно, хотя следует сразу подчеркнуть, что определяемое во многих случаях из экспериментов с поликристаллическими образцами ss требует осторожности при использовании. Дозо-вая зависимость в модели Зеегера предполагает пропорциональность числа создаваемых барьеров дозе облучения, то есть корню квадратному из их плотности pa . Имеются доказательства справедливости такого предположения [бо] однако лишь в определенном интервале доз, при дальнейшем увеличении дозы облучения обычно наблюдается насыщение. Кроме того, имеются данные, что квадратичная зависимость между дозой облучения и &css выполняется не всегда, довольно часто наблюдается зависимость типа css — ( Ф ) [Кц. Для устранения расхождений в зависимостях от дозы в рамках модели Зеегера делались различные предположения, например о возможности перекрытия обедненных зон при больших дозах, либо об ослаблении зон движущимися междоузельными атомами, образованными в соседних каскадах смещений. В работе [52] учтена возможность внутрикаскадной диффузии и превращения обедненных зон в дислокационные петли, вследствие чего скорость упрочнения с дозой облучения уменьшается.
Нержавеющие стали типа 316 и ЭП838
Исследование влияния электронного облучения на механические свойства нержавеющих сталей - конструкционных материа-ло, широко применяемых в реакторном машиностроении, - конечно нельзя рассматривать как имитационное. Реальные условия облучения узлов и деталей в активной зоне ядерных реакторов существенно отличаются от моделируемых в лабораторных условиях. Это различие еще более усиливается, если рассматривать условия работы материалов в реакторах на быстрых нейтронах и в проектируемых реакторах термоядерного синтеза. Электронное облучение, однако, дает прекрасную возможность исследовать чисто диффузионные эффекты облучения. При энергии электронов несколько МэВ образование каскадов смещений практически исключено, а относительно небольшая интенсивность облучения, реализуемая на линейных ускорителях, позволяет исключить процессы интенсивного образования скоплений радиационных точечных дефектов. В результате облучения в таких условиях происходит образование в основном равномерно распределенных по объему материала изолированных пар Френкеля. Таким образом вполне можно считать, что единственным результатом такого облучения будет введение в материал избыточной (относительно термически-равновесной) концентрации точечных дефектов - вакансий и междоузельных атомов, что должно приводить к радиационно-стимулированному усиле -36-нию диффузии в металле.
Всем этим условиям удовлетворяет электронное облучение, осуществляемое с помощью линейного электронного ускорителя У-10. Энергия электронов Е = 2,0 МэВ, номинальный выходной ток пучка У = 200 мкА (I мкА = 6,2.10і эл/с). Для определения интенсивности, а следовательно и дозы облучения образцов, необходимо воспользоваться известным законом распределения интенсивности электронного пучка по диаметру:
Этот закон (функция ошибок Гаусса) был установлен для данного ускорителя экспериментально, методом фотометрирования потемнения стеклянных пластинок, облученных на различных расстояниях от выходного окна ускорителя. В формуле 111 U - величина, пропорциональная интенсивности электронного потока на расстоянии ОС от оси пучка. Параметр И связан с расстоянием от выходного окна до образца (мишени):
Диаметр мишени cf (максимальный размер образца в плоскости, перпендикулярной оси пучка), для которого интенсивность элект ронного потока на краях ( d/Л, от оси пучка) будет в і/% раз меньше интенсивности в центре пучка, определяется из усло вия: , Отсюда легко определить:
Параметр неравномерности Z определяет, во сколько раз интенсивность электронного потока на расстоянии &/& от оси пучка меньше, чем в центре пучка, и определяется выбором величин
Доза облучения Ф определяется как Ц Гр t , где 7г - интенсивность электронного потока через образец, время облучения. Если обозначить ток пучка 7 , площадь образца - () » Долю электронов, попадающих на обра зец, , то:
Величина К определяется параметром неравномерности %, : К = 4- Z . Тогда Если ток пучка дается в микроамперах, а все расстояния - в сантиметрах, то размерность Ц$р будет _см с j .
Для исследования механических свойств использовались плоские образцы в виде двойной лопатки с размерами рабочей части 15x3 мм. Толщина образцов составляла 0,5 мм (при энергии Е = =2,0 МэВ электронный пучок практически без потери интенсивности -38-проходит через стальную пластину толщиной около 1,5 мм). Образцы облучались при температурах от комнатной до 500С. Температура во время облучения поддерживалась путем полива образцов водой комнатной температуры или обдувом сжатым воздухом и контролировалась хромель-алюмелевой термопарой, приваренной с обратной (необлучаемой) стороны одного из образцов в зоне облучения. Облучение, а также последующие испытания производились сериями по 3 или по 5 образцов. Испытания во всех случаях проводились на воздухе с помощью разрывной машины фирмы " $himac(z.iAn при комнатной температуре со скоростью деформации 5.10" с. Определялись стандартные характеристики: предел текучести о 2 , предел прочности ojj и относительное удлинение до разрушения
Нержавеющая сталь типа ЭТТ838
При исследовании ползучести аустенитной нержавеющей стали типа 316 в аустенизированном состоянии (закалка с П00С, охлаждение в воде) в условиях циклического электронного облучения был обнаружен эффект резкого возрастания скорости ползучести в начальный период облучения [161,162 J . Типичный характер эволюции скорости ползучести при включений электронного пучка при температуре 385С представлен на рис.14. То же самое, но при 200 и 250С, показано на рис.15. Как видно, при включении облучения наблюдается быстро затухающий "всплеск" скорости ползучести, при выключении облучения скорость ползучести практически мгновенно уменьшается, часто до нерегистрируемых значений (меньше 10 с" ). Выдержка после облучения в течение нескольких часов не приводит к увеличению скорости ползун чести. Увеличить скорость до заметных значений удавалось лишь повышением либо приложенного напряжения (рис.14), либо температуры (рис.15). При повторении цикла облучения характер эволюции скорости ползучести не меняется.
Сравнивая результаты, полученные при высоких и низких температурах можно отметить, что при более высоких температурах затухание всплеска скорости ползучести происходит быстрее, хотя при любых температурах характер затухания близок к экспоненциальной зависимости. Если увеличить время облучения
Стадия линейного уменьшения скорости радиационной ползучести нержавеющей етапи 316 на поздних стадиях электронного облучения при низких температурах. видно, что вслед за стадией быстрого (экспоненциального) затухания наблюдается стадия более медленного, "линейного" замедления скорости ползучести - рис.16 и 17.
Величина эффекта мгновенного радиационно-стимулированного ускорения ползучести CopSfl / герм )» как было установлено, зависит, главным образом, от исходной дорадиационной скорости ползучести Tj.epM (рис.18). При скоростях Ттерм 5.10 с и выше эффект примерно постоянен (\s /fr « 2,0 - 3,0), при более низких скоростях величина мгновенного радиационного ускорения ползучести резко возрастает с уменьшением скорости дорадиационной термической ползучести. Из-за разброса экспериментальных точек трудно определить, носит ли это возрастание степенной или экспоненциальный характер.
Эффект радиационно-стимулированного ускорения ползучести в начальный период облучения был обнаружен и на другом канди-датном материале для первой стенки ТЯР - аустенитной нержавеющей стали ЭП838 [163] . На рис.19 и 20 представлены типичные примеры эволюции скорости ползучести стали в аустенизиро-ванном состоянии (закалка с П00С, охлаждение в воде) в процессе облучения при 200 и 440С, соответственно. Как видно, характер эффекта такой же, как и на стали 316. Затухание всплеска скорости ползучести после включения облучения происходит быстрее при более высоких температурах. При достаточной выдержке в условиях облучения можно наблюдать две стадии затухания -- быструю, экспоненциальную, и медленную, "линейную".
Эволюция скорости ползучести нержавеющей стали ЭП838 при циклическом электронном облучении при повышенных температурах. начальный период облучения в стали ЭП838. Во-первых, хотя в стали Ш838 и наблюдается резкое замедление ползучести после выключения облучения, однако замедление это не такое сильное, как в стали 316, в которой наблюдается практически нулевая скорость после прекращения облучения. В стали ЭП838 величина скорости послерадиационной ползучести остается того же порядка, что и скорость дорадиационной ползучести и радиационной ползучести перед прекращением облучения. Во-вторых, величина эффекта заметно ниже, чем в стали 316 ( при одинаковых скоростях дорадиационной термической ползучести).
Величина эффекта радиационного ускорения ползучести, так же как и в стали 316, определяется в основном скоростью дорадиационной термической ползучести. На рис.21 представлена соот ветствующая зависимость для стали ЭП838. Для сравнения пунктирной линией показана такая же зависимость для стали 316. Видно, что величина эффекта о0л /Ітерм для стали ЭП838 существенно ниже, чем для стали 316. В первом приближении вполне можно считать, что характер зависимости величины ускорения ползучести под действием электронного облучения для обоих сталей одинаков, однако граничное значение скорости дорадиационной ползучести, ниже которой начинается резкое воз о т растание эффекта, для стали 316 составляет 5.10 с , а для стали ЭП838 - -2.10--1.
Термоактивационный анализ радиационной и термической ползучести никеля
Характер эволюции скорости ползучести при циклическом облучении в области высоких скоростей ползучести показан на рис.25. И повышение и снижение скорости ползучести при включении и выключении электронного пучка во всех циклах практически одинаково.
С увеличением температуры облучения эффект скачкообразного изменения скорости ползучести при включении и выключении пучка снижается и при 400С практически исчезает
Периодическое повторение циклов ползучести в условиях облучения и без облучения при постоянной температуре и напряжении качественно не изменяет характер процессов, хотя эффект мгновенного возрастания скорости ползучести при включении пучка может увеличиваться в результате постепенного снижения исходной, дорадиационной скорости ползучести за счет "линейного" радиационного упрочнения в каждом из предидущих циклов облучения. В отдельных экспериментах число циклов "облучение--необлучение" длительностью до двух часов достигало 10-12.
При термодинамическом, или активационном, подходе ползучесть рассматривается как термически-активированный процесс, описываемый аррениусовским уравнением. Главной задачей термо-активационного анализа является определение параметров, связанных с термодинамической характеристикой системы (в качестве которой чаще всего рассматривается весь кристалл) - свободной энергии Гиббса &G _I72-I77J . Обычно о механизме, контролирующем скорость ползучести в заданной области температур и напряжений, судят по величине энергии активации процесса, а также по,виду зависимости скорости установившейся ползучести от приложенного напряжения, зависимости энергии активации от напряжения и температуры. Полезную информацию можно извлечь и из аналогичных зависимостей активационного объема - величины, характеризующей локальный объем, в котором протекает элементарный акт термической активации.
Энергия активации и активационный объем являются производными свободной энергии Гиббса по обратной температуре (при постоянном напряжении) и по напряжению (при постоянной температуре), соответственно. Имеется несколько способов экспериментального определения этих параметров [178 J . В своих экспериментах мы пользовались методом ступеньчатого изменения температуры (при определении энергии активации) на 10С, и напряжения (при определении активационного объема) на 0,7 МІа в процессе ползучести. При статистической обработке экспериментальных результатов определялась среднеквадратичная ошибка среднего арифметического _I79j , усреднение производилось по 5-Ю экспериментальным замерам.
На рис.26 представлена температурная зависимость кажущейся энергии активации процессов радиационной (на стадии "линейного" упрочнения) и термической ползучести никеля. Величина энергии активации ползучести не зависит от приложенного напряжения. При температурах ниже 300С энергия активации снижает ся с уменьшением температуры и практически одинакова и для радиационной и для термической ползучести. При более высоких температурах энергия активации не меняется с температурой, но несколько различается для термической ( 60 ккал/моль) и радиационной ползучести ( 65 ккал/моль).
Активационный объем, как было установлено, зависит от приложенного напряжения по степенному закону. На рис.27 показан график этой зависимости в логарифмических координатах. Можно заметить, что и для активационного объема в случае термической ползучести температура 300С также является перелом-ной, показатель степенной зависимости V с при температурах 200 и 300С равен m » -0,9 , в то время как при температурах 400 и 500С m » -0,35. В случае радиационной ползучести показатель степени равен -0,35 во всем исследованном температурном интервале.
Так как скорость ползучести в начале цикла облучения существенно отличается от скорости ползучести на более поздних стадиях облучения, то было бы интересно проследить за кинетикой изменения активационных параметров радиационной ползучести. Измерения активационного объема на стадии радиационно-стимулированной переходной ползучести показало, что при включении облучения происходит резкое уменьшение величины активационного объема. На рис.28 представлены результаты таких измерений при 200С и приложенном напряжении 106 МПа. В начальный период об-лучения активационный объем резко уменьшается от 187 4 (тер-мически-равновесное значение) до 67$ , а затем в процессе облучения плавно возрастает до нового радиационно-равновесного значения 245 # , превышающего исходное значение при термической ползучести. При прекращении облучения активационный объем практически мгновенно принимает исходное, термически-равновесное значение.
