Введение к работе
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 ре актор о строении 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 и/или облучении. Также актуальна проблема прерывистого выделения фаз в дисперсионно-тверд ею щих 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 метает аби льных 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:
-
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);
-
определить зависимость механических свойств и структурно-фазового состояния сталей 110Г13Л и 20X13 от малых допустимых отклонений их химического состава;
-
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: Fe, Ni, Mo, марганцовистая сталь 110Г13Л, сталь 20X13 и дисперсионно-тверд ею щий 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 (f6Kr+и, WC ) и при этом:
1. В результате воздействия ионами ЦКг+и на нержавеющую сталь
12Х18Н10Т (без дополнительной деформации) обнаружен эффект «мартенсита облучения» в связи с чем наблюдали эффект радиационного упрочнения, связанный с образованием мартенсити ой а - фазы;
-
выявлено, что даже небольшие отклонения химического состава сталей 110Г13Л и 20X13 от стандартного могут привести к существенным изменениям их фазового состава;
-
на основании проведенных экспериментов показано, что электронное
1Q 9
облучение (Е=2 МеВ, 1-10 е/см ) 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 г| - фазы в у-матрице, сопровождающегося измельчением у-зерен. Основные положения, выносимые на защиту:
-
Результаты исследования структурно-фазовых превращений и механических свойств нержавеющей стали 12Х18Н10Т, облученной высокоэнергетическими ионами f6Kr+u;
-
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;
-
Зависимость механических свойств и структурно-фазового состояния сталей 110Г13Л и 20X13 от малых отклонений их химического состава;
1Q 9
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 у^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:
-
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;
-
Корректностью постановки задач и обоснованным выбором материалов для исследования;
-
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 Nanomatenals: Applications and Properties (NAP), г.Алушта, Крым, 2011; 15 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.
