ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ім. В.Н.каразІна

Пархоменко Олександр Олексійович

УДК 620.039

ОСОБЛИВОСТІ

ПЛАСТИЧНОЇ ДЕФОРМАЦІЇ ОПРОМІНЕНИХ МАТЕРІАЛІВ

З РІЗНИМ ТИПОМ КРИСТАЛІЧНОЇ СТРУКТУРИ

01.04.07 – фізика твердого тіла

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора фізико-математичних наук

Харків – 2001

Дисертація є рукописом.

Робота виконана в Національному науковому центрі "Харківський фізико-технічний інститут" (ННЦ ХФТІ) Міністерства освіти і науки України.

.

Науковий консультант: Член-кореспондент НАН України

доктор фізико-математичних наук,

професор Неклюдов Іван Матвійович

Інститут фізики твердого тіла,

матеріалознавства та технологій ННЦ ХФТІ,

директор .

Офіційні опоненти:

1. Доктор фізико-математичних наук, доцент Босін Марк Євгенович, Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, професор кафедри прикладної математики .

2. Доктор фізико-математичних наук, професор Платков Валерій Якович, Харківський державний університет сільського господарства, професор кафедри технології матеріалів

3. Доктор фізико-математичних наук, професор Фінкель Віталій Олександрович, Інститут фізики твердого тіла, матеріалознавства та технологій ННЦ ХФТІ, начальник лабораторії.

Провідна установа: Інститут ядерних досліджень НАН України, відділ радіаційного матеріалознавства, м. Київ.

Захист відбудеться " 16 " листопада 2001 р. о 1400 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.051.03 Харківського національного університету ім. В.Н.Каразіна за адресою: 61077, м. Харків, пл. Свободи, 4, ауд. ім. К.Д.Синельникова.

З дисертацією можна ознайомитись у Центральній науковій бібліотеці Харківського національного університету ім. В.Н.Каразіна, м. Харків, пл. Свободи, 4.

Автореферат розісланий 16 вересня 2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої ради Пойда В.П.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Розвиток ядерної енергетики, що вже зараз дає майже 50% всієї електроенергії, що виробляється в Україні, висуває особливі вимоги до реакторних конструкційних матеріалів. Серед цих вимог найважливішою є необхідність збереження в процесі тривалої експлуатації високого рівня механічних властивостей, як елементів активної зони, так і корпусів ядерних реакторів. На жаль, саме деградація механічних характеристик під дією опромінення виявляється одним з головних факторів, що обмежують працездатність реакторних матеріалів.

Так, вже після досить низьких доз опромінення (0,1 зна) – практично у всіх матеріалів знижується пластичність і проявляється радіаційна крихкість, яка має місце, як при високих, так і при низьких температурах експлуатації.

Тому вивчення явища радіаційної крихкості є важливою й актуальною проблемою. Її розв'язання сприятиме розумінню причин і закономірностей явища і на цій основі дасть можливість передбачати поведінку матеріалів в конкретних радіаційних умовах експлуатації.

До теперешнього часу проведені численні дослідження в цій галузі. Досягнуті успіхи зв'язані з роботою наукових колективів, у різні часи очолюваних І.А.Гіндіним, В.С.Карасьовим, В.І.Трефіловим, У.Барнсом, Дж.Харрісом, а також очолюваних зараз Д.А.Амаєвим, Е.У.Гринником, В.Ф.Зеленським, І.М.Неклюдовим, А.М.Паршиним, П.О.Платоновим, В.Ф.Реутовим, В.В.Рибіним, В.В.Сльозовим, Е.Е.Блюмом, Дж.Стіглером, Г.Уллмайером та ін.

Незважаючи на тривалий час, що пройшов з початку виконання робіт з вивчення природи крихкості, ще не створено теорії, яка б дозволила з єдиних позицій описати поведінку опроміненого матеріалу, що деформується в широкому інтервалі температур. Наявні на момент початку виконання дисертації експериментальні роботи не враховували факт динамічного характеру пластичної деформації, а також зв'язаний з цим цілий клас явищ: неоднорідність і пластичну нестабільність, взаємодію дислокацій із границями зерен, зміну властивостей самих дислокацій. Нарешті, не брався до уваги сучасний підхід до матеріалу, що деформується, як до відкритої дисипативної системи, що підкоряється законам синергетики. Тому, з огляду на важливість проблеми в цілому, недосліджені сторони явища вимагали проведення експериментів з метою встановлення фізичних закономірностей, що описують радіаційну крихкість.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, НДР. Дисертаційна робота виконана у відділі фізики радіаційних пошкоджень і радіаційного матеріалознавства Інституту фізики твердого тіла матеріалознавства і технологій ННЦ ХФТІ в рамках ряду державних програм і НДР, що проводилися в ННЦ ХФТІ в межах програм колишнього СРСР і України (Програма робіт з атомної науки і техніки ННЦ ХФТІ на період 1992 – 2000 р., затверджена Мінмашпромом і НАН України 20.07.93 р. №558):

· Тема: "Теоретичне й експериментальне вивчення механізмів пластичної деформації і радіаційної крихкості реакторних матеріалів", шифр 14/14.

· Тема: "Дослідження механізмів радіаційної крихкості конструкційних матеріалів реакторобудування", шифр 14/16.

Крім цього, роботи проводилися в рамках проекту, підтриманого ДКНТ України:

· Тема: "Теоретичне й експериментальне дослідження впливу пластичної нестабільності, взаємодії дислокацій із границями зерен на радіаційну крихкість матеріалів", шифр 4.3/429, номер держ. реєстрації – 07.02.05/065-92.

При виконанні даних робіт автор дисертації брав участь у постановці задач, був керівником етапів і брав безпосередню участь у проведенні експериментів.

Мета й основні задачі дослідження. Метою роботи, що представляється, було вирішити проблему – установити закономірності і фізичні механізми впливу параметрів опромінення, характеристик вихідної структури та її еволюції на механічні властивості матеріалів з різним типом кристалічної структури, що деформуються у широкому інтервалі температур. Для її досягнення необхідно було вирішити такі конкретні задачі:

1. Провести комплексні дослідження, які, зокрема, стосуються:–

визначення механічних властивостей матеріалів; –

вивчення дефектних структур у вихідних та опромінених матеріалах за допомогою електронної мікроскопії; –

встановлення завдяки проведенню фрактографічних і металографічних досліджень характеру руйнування матеріалів.

2. На основі детального систематичного аналізу поведінки як модельних матеріалів (LiF, V, Cr, Ni та ін.), сплавів (Zr-1%Nb, Zr-2,5%Nb, V-Y, Cr-Y, Cu-Y, Ni-РЗЕ та ін.), сталей (Х18Н10Т, Х16Н11М3Т, Х16Н15М3Б та ін.) встановити загальні закономірності й особливості зміни механічних властивостей опромінених матеріалів у залежності від типу кристалічних ґраток, параметрів термообробки й механічних випробувань, а також параметрів опромінення і типу заряджених часток.

3. З'ясувати питання стосовно можливості впливу опромінення і продуктів ядерних реакцій на енергію дефекта упакування модельних і реакторних матеріалів.

4. За допомогою методів дослідження механічних властивостей, електронної й іонної мікроскопії, внутрішнього тертя з'ясувати роль границь зерен в ефектах радіаційного зміцнення й крихкості вищеназваних матеріалів.

5. Вивчити фізичні механізми ефектів впливу легування рідкоземельними елементами (іттрій, скандій, празеодим і ін.) на схильність матеріалів до радіаційного зміцнення й крихкості.

6. Побудувати дислокаційну модель радіаційної крихкості, яка враховує ефекти взаємодії дислокацій із границями зерен в опромінених матеріалах, що деформуються у широкому інтервалі температур.

7. З'ясувати механізми впливу опромінення, легування, температури, концентрації радіаційних дефектів на розвиток ефектів пластичної нестабільності і ротаційних мод пластичної деформації.

8. Побудувати на цій основі синергетичну концепцію радіаційної крихкості, що враховує ієрархію структурних рівнів пластичної деформації.

Об'єктом досліджень є ефекти впливу опромінення на пластичну течію і механічні властивості матеріалів – радіаційне зміцнення й крихкість.

Предметом досліджень є встановлення нових закономірностей між параметрами, що характеризують зміну основних механічних властивостей матеріалів, параметрами опромінення і дефектною структурою опромінених матеріалів.

Наукова новизна отриманих результатів. Наукова новизна роботи характеризується тим, що в ній уперше:

1. Систематично на широкому колі металів і сплавів досліджений вплив опромінення на розвиток пластичної деформації на різних стадіях: межі текучості, площадці Людерса-Чернова, параболічного деформаційного зміцнення, рівномірного подовження, зосередженого подовження, тріщіноутворення.

2. Встановлено зв'язок між радіаційною крихкістю та поведінкою термоактивованої і атермічної компонент напруги течії. Показано, що радіаційна крихкість, в основному, визначається еволюцією дальнодіючих пружних атермічних напружень.

3. Встановлено, що опромінення не змінює механізмів, що контролюють швидкість пластичної деформації матеріалів з різним типом кристалічної структури.

4. Показано, що гелій, що утворюється в матеріалах за рахунок ядерних реакцій, впливає на пластичність і міцність комплексним і неоднозначним чином; розвинуті нові уявлення і фізичні механізми впливу гелію на міцність границь зерен. Встановлено роль гелію в низькотемпературній радіаційній крихкості і локалізації пластичної деформації. Розроблено дислокаційну модель гелієвої крихкості, що враховує зміну властивостей граткових та зерномежевих дислокацій.

5. Показано, що опромінення може приводити до зниження величини енергії дефекту упакування матеріалів, опромінених при температурах Ј 0,2 Тпл..

6. Вивчено роль вакансійної пересиченості в розвитку пластичної течії і пластичної нестабільності, і запропонована фізична модель, що зв'язує енергетику вакансійно–домішкових комплексів з радіаційним зміцненням сплавів.

7. Досліджено вплив величини невідповідності атомних радіусів матриця-розчинник при різних температурах (293...773 К) на радіаційну крихкість сплавів Nі-РЗЕ, Сu-РЗЕ. Запропоновано фізичну модель, що враховує вплив параметрів опромінення та випробувань (температура, швидкість деформування та ін.) на радіаційну крихкість матеріалів, легованих РЗЕ.

8. Запропоновано дислокаційну модель радіаційної крихкості, яка враховує взаємодію дислокацій із границями зерен в опроміненому матеріалі, що деформується у широкому інтервалі температур.

9. Запропонована синергетична концепція радіаційної крихкості, яка враховує ієрархію структурних рівнів пластичної деформації і пластичної нестабільності.

Практична значимість отриманих результатів. Проведені в дисертаційній роботі дослідження формують нові уявлення про поведінку опроміненого матеріалу, що деформується в широких інтервалах змін доз опромінення, умов механічних випробувань, параметрів термообробки. Їх можна використовувати при укладенні довідників та навчальних посібників з радіаційного матеріалознавства. Результати досліджень впливу легування РЗЕ й іншими домішковими атомами сталей Х16Н15М3Т та Х16Н11М3Т, сплавів на основі хрому були використані на ряді підприємств при розробці матеріалів активних зон реакторів на швидких нейтронах.

Отримані в дисертації результати показують, що радіаційна крихкість конструкційних матеріалів реакторів ВВЕР – активної зони (канальні труби зі сплаву Zr–2,5%Nb), внутрішньокорпусних пристроїв (ВКУ) зі сталі 0Х18Н10Т, феррито-перлітних сталей корпусів реакторів ВВЕР, – виявляє загальну закономірність: його величина росте зі збільшенням відношення sm /s*, тобто атермічної та термоактивованої компонент напружень течії матеріалів. Це дає можливість прогнозувати температурні інтервали крихкості реакторних матеріалів з їх поведінки механічних властивостей до опромінення.

Проведений у дисертації аналіз впливу опромінення на карти механізмів пластичної деформації дозволяє зрозуміти поведінку основних конструкційних матеріалів реакторобудування в процесі опромінення і враховувати зміни механічних властивостей цих матеріалів при розробці і створенні нових радіаційно-стійких матеріалів.

Розроблена дислокаційна модель радіаційної крихкості дозволить прогнозувати поводження матеріалів з урахуванням зміни властивостей, як самих дислокацій, так і границь зерен.

Синергетична концепція радіаційної крихкості дозволяє вперше, з єдиних загальнонаукових позицій, розглянути ефект радіаційної крихкості.

Особистий внесок здобувача. Дисертація є узагальненням результатів досліджень, що були виконані особисто автором чи за його основної участі.

У основних роботах за темою дисертації, список яких наведений у авторефераті, особистий внесок дисертанта полягає у тому, що він особисто сформулював постановку задач у роботах 3-7, 9-12, 14-25 і брав безпосередню участь у формулюванні основних наукових положень у роботах 1, 2, 8, 13, 26-31.

Йому особисто належать: теоретична модель крихкості, що зв'язана зі зміною властивостей границь зерен як стіків для дислокацій, дислокаційна модель зернограничної гелієвої крихкості, синергетична концепція радіаційної крихкості матеріалів, а також концепція про вплив опромінення на енергію дефектів упакування.

В усіх роботах він особисто брав участь на всіх етапах їхнього виконання – від виготовлення і термообробки зразків, їхнього опромінення на прискорювачах і до дослідження механічних властивостей, обробки результатів досліджень і написання статей.

Апробація результатів роботи. Основні положення і результати дисертації доповідалися й обговорювалися на VII, VIII Нарадах з фізики радіаційних ушкоджень твердого тіла (м. Харків – 1988 і 1990 р.), на VI, VII, IX Міжгалузевих школах з фізики радіаційних пошкоджень (м. Алушта – 1987, 1989, 1993 р.), на IV Всесоюзній Нараді з радіаційних дефектів у металах і сплавах

(м. Алма-Ата – 1986 р.), на Всесоюзній школі з радіаційної фізики металів і сплавів (м. Бакуріані – 1991 р.), на Міжнародній конференції з реакторного матеріалознавства (м. Алушта – 1990 р.), на XIV Міжнародному симпозіумі "Вплив опромінення на матеріали" (США, Андовер, 1988 р.), на Міжнародній конференції з порошкової металургії (США, Орландо 1988 р.), на Міжнародному симпозіумі з перспективних матеріалів (Франція, Бордо 1987 р.), на XII, XIII, XIV Міжнародних конференціях з фізики міцності і пластичності (Росія, м. Самара – 1989, 1992, 1995 р.), на I Міжнародному семінарі "Еволюція дефектних структур у металах і сплавах" (Росія, м. Барнаул 1992 р.), на II Конференції "Фізичні явища у твердих тілах" (м. Харків, ХДУ, 1995 р.), на VII і VIII Міжнародних конференціях з матеріалознавства термоядерних реакторів (Росія, м. Обнінськ 1995 р., Японія, Сендай, 1997 р.), на IX і X Міжнародних нарадах "Радіаційна фізика твердого тіла" (Україна, м. Севастополь – 1999, 2000 р.), на VII і VIII Конференціях країн СНД по проблемі "Радіаційна пошкодженість і працездатність конструкційних матеріалів" (Росія, Бєлгород – 1997, 1999 р.).

Публікації. Усього за темою дисертації опубліковано 31 друковану працю, у тому числі: у фахових журналах – 23 (5 – без співавторів), препринт – 1, тез та праць конференцій і семінарів – 7.

Структура й обсяг дисертації. Робота складається з вступу, семи розділів, загальних висновків по роботі, списку використаних джерел літератури з 380 найменувань, містить 357 сторінок, що включають 309 сторінок машинописного тексту, 24 таблиці, 113 рисунків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі коротко описаний стан дослідження проблеми, обґрунтована її актуальність, визначена мета і задачі роботи, викладена новизна отриманих результатів, їх практична і наукова значимість, зазначені обсяг і структура дисертації.

У першому розділі "Структурні аспекти радіаційного зміцнення й крихкості матеріалів" зроблено огляд літератури, у якому детально проаналізовані експериментальні і теоретичні результати досліджень впливу параметрів опромінення й механічних випробувань на радіаційне зміцнення й крихкість модельних і реакторних матеріалів. На основі огляду робиться висновок про відсутність в опублікованій літературі сучасних уявлень щодо дислокаційної природи радіаційної крихкості, врахування колективних ефектів у системі дислокацій, моделей, які враховують взаємодію дислокацій із границями зерен, та зміну під опроміненням властивостей дислокацій і т.д.

У другому розділі "Методичні основи проведення досліджень" наведений опис методу, запропонованого у ХФТІ для вивчення радіаційної пошкоджуваності матеріалів за допомогою пучків високоенергетичних електронів з енергією, вище порога ядерних реакцій, що включає математичне моделювання первинних процесів радіаційного пошкодження при опроміненні високоенергетичними (е, g)-пучками – утворення радіаційних дефектів і продуктів ядерних реакцій. Відповідно до цього методу опромінення проводилося, в основному, на прискорювачах ХФТІ ЛУЕ-300 МеВ і ЛУ-2 ГеВ при таких параметрах дефектоутворення: швидкість утворення зміщень атомів – 10–7 зна/с; максимальна швидкість утворення гелію за рахунок вторинних (g, a)-реакцій – 2,5·10–2 ат. %/зна. Початкова енергія електронів складала 225 МеВ. Опромінення проводилося у температурній області 243…573 К. Основна частина експериментів була проведена на зразках, які були опромінені до доз 1·1025 ел./м2, що відповідає рівню пошкоджуваності 0,1 зна.

У розділі наведено опис методик, що використовувались у даній роботі: короткочасні механічні іспити, повзучість, мікротвердість, електронна мікроскопія, фрактографія, металографія, ядерно-фізичні методи: анігіляція позитронів та вторинна іонна мас-спектроскопія, акустична емісія, а також методи математичної обробки результатів досліджень.

У цьому ж розділі наведені хімічний склад і режими термічної обробки матеріалів з різним типом кристалічної структури, що використовувались як об'єкти для досліджень:–

ГЦК-матеріали (мідь і її сплави з іттрієм, нікель і його сплави з РЗЕ, алюмінієві сплави, аустенітні нержавіючі сталі 0Х18Н10Т та 0Х16Н15М3);–

ОЦК–матеріали (ванадій та його сплав з іттрієм, сталь 15Х2МФА, малолегований хром та його сплав з іттрієм);–

ГПУ–матеріали (цирконієві сплави – Zr–1%Nb, Zr–2,5%Nb, магній, сплав Mg–2%Be).

У третьому розділі "Зв'язок ефектів радіаційного зміцнення й крихкості з параметрами опромінення, умовами механічних випробувань і структурою матеріалів" наведений опис результатів експериментів з дослідження залежності ефектів зміни механічних властивостей від складу матеріалу, температури механічних випробувань, температури і дози опромінення, концентрації гелію, типу кристалічних ґраток.

Прийнято умовно розділяти температурну область радіаційної крихкості на два інтервали –

Т Ј 0,3...0,35 Тпл. – низькотемпературна радіаційна крихкість (НТРК), і Т > 0,45...0,5 Тпл. – високотемпературна радіаційна крихкість (ВТРК).

В області НТРК експерименти дозволили визначити граничні дози ефекту радіаційного зміцнення. Для основних реакторних сталей ця величина виявилася рівною ~ 1022 эл./м2, що відповідає рівню пошкоджуваності 10–4 зна. Порівняння цієї величини з результатами опромінення нейтронами, важкими іонами показує кореляцію цього параметра після різних видів опромінення.

Особливий інтерес представляло з'ясування впливу типу кристалічних ґраток на схильність матеріалів до радіаційної крихкості. В області НТРК було виявлено, що схильність матеріалу до крихкості, в основному, визначається не стільки типом кристалічних ґраток, скільки рівнем початкової міцності і дислокаційною структурою матеріалу.

Для НТРК величина крихкості (Dd/d) пропорційна величині радіаційного зміцнення (рис.1, криві 1 і 2).

На відміну від цього в області ВТРК виявилося, що величина ефекту крихкості, пропорційна величині радіаційного знеміцнення матеріалу, що спостерігається за високих температур деформацій (див. рис.1, криві 3, 4). Це було показано на ряді матеріалів, деформованих при температурах 900...1273 К – аустенітних нержавіючих сталях Х18Н10Т, Х16Н15, нікелю електронно-променевого переплаву та ін., при цьому величина ефекту радіаційного знеміцнення збільшується зі збільшенням ступеня деформації.

Рис.1. Залежність величини радіаційної крихкості від величини зміцнення для сталі 06Х16Н15МЗБ; 1 – Твипр. = 293 К; 2 – Твипр. = 573 К; 3 – Твипр. = 1173 К; 4 – Твипр. = 1273 К;

5 – область значень величин радіаційного зміцнення й крихкості при Твипр. = 873…923К

Проаналізовано еволюцію мікроструктури і ступеня низькотемпературного радіаційної крихкості зі збільшенням дози опромінення. Показано, що величина НТРК визначається еволюцією щільності кластерів радіаційних дефектів у вигляді дислокаційних петель (рис.2-3). Встановлено, що насичення дозових залежностей відносного видовження нікелю і сталі 0Х16Н13М3Б спостерігається при такому ж рівні пошкоджуваності, що і насичення дозової залежності щільності радіаційних дефектів (~ 0,1 зна).

Рис.2. Залежність відносного видовження нікелю (1) і аустенітної нержавіючої сталі 0Х16Н15М3Б (2), опромінених високоенергетичними електронами від дози опромінення. Температура механічних випробувань 293 К

Рис.3. Залежність щільності кластерів радіаційних дефектів від дози опромінення. Опромінення у реакторі (n, m, p, ¶) та високоенергетичними (е, g)-пучками (*) на прискорювачі (верхня крива) і опромінення важкими іонами хрому з енергією 3 МеВ (нижня крива)

Аналіз залежності відносного видовження нікелю електронно-променевого переплаву, аустенітних нержавіючих сталей від дози опромінення в області температур прояву ВТРК показав, що ці залежності, у основному, визначаються кількістю гелію, що виробляється під опроміненням за рахунок вторинних ядерних (g, a)-реакцій і характеризуються насиченням при концентраціях гелію 10–4…10–3 ат.%. Як показали дослідження з використанням методу внутрішнього тертя, величина дози опромінення при цьому відповідає критичній концентрації насичення границь зерен гелієм. Найбільш високі швидкості радіаційної крихкості відповідають низьким дозам опромінення, при яких гелієва пористість, як у тілі зерна, так і на границях, ще відсутня.

Проаналізовано НТРК та ВТРК конструкційних матеріалів у зв'язку із поведінкою термоактиваційної (s*) та атермічної (sm) компонент напружень течії. Встановлено, що обидва ефекти збільшуються, коли зростає співвідношення sm/s*, тобто коли пластична течія наближається до атермічних ділянок на кривій s(Т). При низьких дозах опромінення (Ј 10–3…10–2 зна) мінімум пластичності опромінених матеріалів ще "прив'язаний" до мінімуму в неопроміненому стані і, відповідно, до температурного плато (sТ) у неопромінених матеріалів (s* ~ 0). Зі збільшенням дози опромінення мінімум пластичності переміщується у район нового радіаційно-індукованого атермічного плато при температурах механічних випробувань 293...573 К.

Одним з найважливіших, але ще недостатньо вивчених питань радіаційної фізики міцності і пластичності, є питання про вплив опромінення на механізми, що контролюють процес термоактиваційного руху дислокацій.

Проведені декількома методами на матеріалах з різною структурою (Ni, Mg-Be сплави, аустенітні нержавіючі сталі) дослідження показали, що опромінення не змінює механізмів, що контролюють швидкість пластичної деформації матеріалів (тобто енергію активації пластичної течії – Н) і в той же час може приводити до деякої зміни величини активаційного об'єму – V.

Отримані результати дають підставу стверджувати про атермічність радіаційної крихкості в тім сенсі, що вона контролюється не зміною під дією опромінення спектру близькодіючих перешкод для руху дислокацій, а впливом опромінення на атермічну дальнодіючу компоненту напруження пластичної течії. Для матеріалів з різним типом кристалічної структури – феріто-перлітної сталі 15Х2МФА, хрому, ванадію (ОЦК), цирконію (ГПУ) отримані експериментальні результати, що підтверджують ці положення.

У четвертому розділі "Роль границь зерен у радіаційному зміцненні й крихкості матеріалів" наведені результати досліджень впливу опромінення на ефекти блокування дислокаційного ковзання границями зерен і стимулювання зернограничного проковзування в опромінених матеріалах, а також запропоновані механізми зернограничної деформації опромінених матеріалів.

Був вивчений вплив границь зерен на параметри, що характеризують пластичну течію опромінених матеріалів як в області НТРК, так і в області ВТРК. Досліджувався вплив температури, дози опромінення на параметри залежності Холла-Петча: s0.2 = s0+Kyd-1/2 для нікелю, аустенітної нержавіючої сталі 0Х16Н15М3Б, а також вплив добавки рідкоземельних елементів (РЗЕ) (результати цих досліджень описані у розд. 5).

Результати показали, що опромінення до доз 5·10–3…10–1 зна приводить до збільшення параметра Ky нікелю електронно-променевого переплаву і сталі 0Х16Н15М3 в області НТРК та зниженню в області ВТРК, у той час, як у всій області температур механічних випробувань 293…1173 К після опромінення параметр s0, що характеризує ступінь зміцнення тіла зерна, збільшується (табл.1).

Таблиця 1

Вплив опромінення на параметри рівняння Холла-Петча

№ п/п Твипр., К ОХ16Н15МЗТ s0 , МПа Ky, МПа·мкм1/2

1. 293 Опромінений Вихідний 82 ± 4 70 ± 3 (9,56 ± 0,4)·102 (7,82 ± 0,35)·102

2. 573 Опромінений Вихідний 69 ± 3 20 ± 2,5 (8,92 ± 0,45)·102 (7,74 ± 0,4)·102

3. 773 Опромінений Вихідний 48 ± 3,5 29 ± 2 (7,48 ± 0,3)·102 (6 ± 0,25)·102

4. 973 Опромінений Вихідний 42 ± 4,5 18 ± 2 (5,2 ± 0,3)·102 (5,7 ± 0,25)·102

Результати наведених досліджень свідчать, що опромінення приводить до збільшення ступеня заблокованості зернограничних джерел дислокацій, затруднення в передачі ковзання через границі зерен в інтервалі температур прояву НТРК. У свою чергу, зі збільшенням ступеня заблокованості зменшується ймовірність релаксації напружень і збільшується ймовірність перебудови скупчення дислокацій перед границею в зародкову зернограничну тріщину. Отримані результати корелюють із загальним підходом Котрелла-Трефілова до проблеми появи крихкості в неопромінених матеріалах: зі збільшенням Ky збільшується і схильність матеріалу до крихкого руйнування.

Окремо стоїть проблема визначення концентрацій на границях зерен продуктів ядерних реакцій, зокрема, гелію. Проведені за допомогою методу зернограничного внутрішнього тертя експерименти і розрахунки за моделлю Глікмана (що зв'язує насичення границь зерен із зсувом температури зернограничного внутрішнього тертя) показали, що при середніх концентраціях гелію в матриці, що не перевищують 10–4 ат.% його концентрація на границях зерен може досягати практично моношару.

З огляду на особливу роль границь зерен при високих температурах і той факт, що ефект ВТРК зв'язаний, у першу чергу, із зернограничним руйнуванням, був детально вивчений вплив різних параметрів на властивості границь зерен опромінених матеріалів, що деформуються, при високих температурах. Ще до початку проведення досліджень за темою докторської дисертації в ряді робіт за участю автора було однозначно показано, що в матеріалах (таких, як нікель технічної чистоти й аустенітні нержавіючі сталі), вже починаючи з малих ступенів деформацій, відбувається інтенсивне зернограничне проковзування (ЗГП), внесок якого в загальну деформацію збільшується з ростом ступеня деформації. З огляду на цей факт, а також позитивний вплив чистоти матеріалу на величину ВТРК, виникає питання про порівняння схильності до зернограничного проковзування "чистого" нікелю і нікелю технічної чистоти, а також питання, пов'язане з безпосереднім визначенням міцності границь зерен матеріалу, що деформується в інтервалі температур прояву ВТРК. Дослідження показали, що в опроміненому нікелі електронно-променевого очищення спостерігається не тільки інтенсивне зернограничне проковзування, але також і повороти зерен одне відносно одного на деякий кут. Це дає підставу стверджувати, що зернограничне ковзання дислокацій (мікрорівень) при пластичної течії приводить до розвитку ротаційних (поворотних) мод на її наступному структурному рівні. Враховуючи, що в опромінених матеріалах ці ефекти спостерігаються при значно нижчих ступенях деформації, можна сказати, що опромінення стимулює утворення ротаційних мод пластичної деформації.

Прямий експеримент для визначення впливу опромінення (гелію), на міцність границь зерен був проведений на спеціально виготовлених нікелевих зразках з "бамбуковою" структурою з границями зерен, переважно, перпендикулярними до напряму розтягу. Було встановлено, що вже при концентрації гелію в матеріалі, яка дорівнює (5...6)·10–4 ат.%, напруження зернограничного руйнування при високих температурах знижувалося у 3-4 рази в порівнянні з неопроміненим матеріалом (табл. 2).

Таблиця 2

Параметри руйнування вихідних і опромінених зразків нікелю, що мають

"бамбукову" структуру

Матеріал – нікель електронно-променевого очищення Напруга руйнування, МПа Відносне видовження, %

Неопромінений 7...8 23...25

Опромінений (е, g)-пучками до концентрації гелію (5...6)·10–4 ат.% 2...2,8 1,2...2,8

З огляду на важливу роль зернограничного проковзування у ВТРК була вивчена поведінка надпластичного матеріалу, де збільшення внеску ЗГК приводить до збільшення пластичності, а не до збільшення його крихкості. Як досліджуваний матеріал був узятий реакторний конструкційний сплав Zr–1%Nb (ГПУ–гратка), що має в інтервалі температур 923…1173 К схильність до надпластичності. Доза опромінення складала 4,5·1024 ел./м2 (0,08 зна та 10–4 ат.% гелію). Ця концентрація гелію цілком достатня для прояву ВТРК багатьох з досліджених матеріалів (див. розд. 3). Дослідження показали, що в тім інтервалі швидкостей деформацій, де спостерігається збільшення схильності сплаву до надпластичності (максимум показника чутливості m = dlgs /dlg і d), його схильність до вияву ВТРК зменшується. Електронно-мікроскопічний аналіз реплік, які були зняті з поверхні зразків, що деформуються, підтвердив, що найменша схильність до радіаційної крихкості сплаву Zr–1%Nb спостерігається при найбільшому внеску ЗГП у його загальну деформацію. Внесок внутрішньозереного ковзання, при цьому, становить мінімальну величину. Зі збільшенням внеску внутрішньозереної деформації схильність до крихкості буде збільшуватися. Таким чином, внутрішньозерене ковзання є істотним чинником, що стимулює високотемпературну радіаційну крихкість матеріалів. За його відсутності підвищення інтенсивності ЗГП за наявності високої дифузійної зернограничної акомодації, пов'язаної, зокрема, з високими коефіцієнтами зернограничної дифузії (у даному випадку цирконію), схильність матеріалу до ВТРК буде зменшуватися.

З метою створення моделі, що враховує зміну міцності границь зерен і інтенсифікацію процесів зернограничного проковзування в опромінених, деформованих при високих температурах, матеріалах, було необхідно вирішити такі задачі: –

дослідити процеси взаємодії дислокацій із границями зерен;–

дослідити можливості впливу опромінення на властивості дислокацій;–

дослідити вплив опромінення на процес деформаційного зміцнення границь зерен;–

дослідити вплив опромінення, концентрації гелію на, так зване, "джерельне" зміцнення границь зерен, тобто напруження, яке характеризує початок дислокаційного ковзання в області границь.

Відповідно до цього підходу зсувна міцність границь зерен (sгз) повинна бути представлена у такому вигляді:

sгз = ss+s p+s j(e ),

де ss – "джерельне" зміцнення, що характеризує величину напруження, необхідного для активації зернограничного ковзання; sp – опір руху дислокацій у потенціальному рельєфі границь зерен; sj(e ) – деформаційне зміцнення границь зерен, основним механізмом якого є утворення порогів на зернограничних дислокаціях у результаті взаємодії в процесі деформації матричних дислокацій із границями зерен.

ss – "джерельне" зміцнення. Була вивчена високотемпературна повзучість нікелю і вплив опромінення (гелію) на перехідну від дифузійної до дислокаційної повзучості стадію. Дослідження показали, що величина напруження, що характеризує початок дії, зернограничних джерел дислокацій, так звана, "межа лінійної повзучості" зменшується в області високих температур з 18..20 МПа у вихідному до 10...12 МПа в опроміненому до дози 10–1 зна стані. При цьому відбувається значне збільшення швидкості повзучості опроміненого матеріалу на другій стадії внаслідок інтенсифікації проковзування по границях зерен.

Як пояснення отриманого ефекту зниження "джерельного" зміцнення можуть бути використані результати математичного моделювання напружень (зсувів), що виникають навколо атома гелію на границі зерна. Моделювання показало, що розтягуючі мікронапруження, що виникають в області локалізації атома гелію, можуть досягати величин Ј 0,1 К* (К* – модуль всебічного стиску) і, таким чином, знижувати величину додаткового напруження, що прикладається, необхідного для відкриття дислокаційних джерел, тобто ss.

sp і sj(e ). Проведені за допомогою автоіонної мікроскопії експерименти показали, що впровадження гелію у границю зерна супроводжується зниженням енергії дефектів упакування (розширенням ядер) зернограничних дислокацій. Цей ефект впливає на процес межзереного проковзування, що здійснюється завдяки руху зернограничних дислокацій.

Відповідно до сучасних уявлень (Р.З.Валієв, 1990) ковзання зернограничних дислокацій проходить в умовах існування потенціального рельєфу в границях зерен. За аналогією з моделлю Пайерлса запишемо формулу для напруження, необхідного для руху зернограничної дислокації в потенціальному рельєфі границі зерна.

s = (2/m1-n) exp (-4p rя/bзгд),

де m – ефективний зернограничний модуль; n – коефіцієнт Пуассона, rя – радіус "ядра" зернограничної дислокації; b – вектор Бюргерса зернограничних дислокацій, обумовлений кристалогеометрією повних ґраток накладень (DSC-lattice).

У відповідності до цього рівняння зі збільшенням ширини ядра дислокацій опір їхньому руху в рельєфі границь зерен буде зменшуватися.

Через те, що імовірність утворення порогів знижується зі збільшенням ширини ядра дислокацій (через збільшення Uj – енергії утворення порогу відповідно до формули Uj = Uo+aЧ d, де d – ширина ядра (величина розщеплення дислокації)), також і цей механізм у матеріалах із границями зерен, насиченими гелієм, буде приводити до зниження опору руху зернограничних дислокацій.

Таким чином, аналіз показує, що інтенсифікація зернограничного проковзування може бути зв'язана з тим, що в опроміненому і деформованому при високих температурах матеріалі відбувається зниження всіх компонентів, які дають внесок в опір руху зернограничних дислокацій.

Для одержання повної картини зернограничної деформації опромінених матеріалів треба було з'ясувати, чи впливає опромінення (гелій) на дислокаційно-адсорбційну здатність границь зерен.

Постановка цієї конкретної задачі зв'язана з тим, що механізмом зернограничної деформації досліджених нами матеріалів є "зернограничне проковзування, яке стимульоване внутризереною деформацією" (за класифікацією Р.З.Валієва). У якості "засобу доставки" дислокацій на границі зерен було використано попереднє високотемпературне деформування.

Як індикатор інтенсивності зернограничного проковзування використовувалося положення (температура максимуму) зернограничного піка внутрішнього тертя (ЗГПВТ).

Дослідження матеріалів, деформованих на 0,7, 1, 5, 6, 10 та 15% при високих температурах, показало, що в неопроміненому матеріалі вже при деформаціях ~ 1% починає встановлюватися динамічна рівновага при взаємодії "матрична дислокація – границя зерна", про що свідчить насичення величини зсуву (DТ) ЗГПВТ від ступеня деформації.

У опромінених зразках насичення границь зерен дислокаціями не спостерігається аж до ступенів деформацій, що передують зародженню зернограничних тріщин.

Відповідно до теорії зернограничного зміцнення про це ж свідчить і відсутність деформаційного рельєфу, (так званих "дахів"), біля границь зерен, утворення яких зв'язане з виникненням на границях деформованого матеріалу зустрічних пружних полів.

Ці результати дозволяють пояснити не тільки ефект інтенсифікації зернограничного проковзування внаслідок збільшення густини "внесених зернограничних дислокацій", але також відповісти на запитання про ускладнення зародження внутрішньозеренної комірчастої структури, яка не починає утворюватися, поки границі зерен не "насичаться" дислокаціями. У свою чергу, причиною підвищення адсорбційно-дислокаційної здатності границь може бути зростання їхньої енергії зі збільшенням концентрації гелію, що було показано в дисертації теоретично, а також випливає з аналізу даних про зернограничне внутрішнє тертя, отриманих з експериментів, проведених відповідно до методики Е.У.Гринника (1986).

Таким чином, отримані результати дозволяють пояснити ефект інтенсифікації зернограничного проковзування в опроміненому матеріалі тим, що опромінення (присутність гелію) приводить до:–

зміни властивостей зернограничних дислокацій;–

зміни всіх компонентів напружень течії (міцності) по границях зерен;–

збільшення густини зернограничних дислокацій у результаті підвищення адсорбційної здатності границь зерен для матричних дислокацій.

Кінетика зміни густини дислокацій, що адсорбуються границями зерен (rgb) буде визначатися, з одного боку, процесами нагромадження зернограничних дислокацій () за рахунок потоку дислокацій з зерен матриці, а, з іншого боку, факторами, що приводять до зниження їхньої адсорбції в границю. У якості цих факторів можуть розглядатися: –

утворення зворотних полів напружень, що приводять до відштовхування дислокацій від границь зерен (rgb/F), де F – фактор відштовхування, зв'язаний із блокуванням ковзання дислокацій границями;–

зменшення густини зернограничних дислокацій у результаті процесів, так званого, "спридинга" (термічної дисоціації), що характеризується часом релаксації tSP.. Цей член, за аналогією з Рибіним, запишемо у вигляді rgb / tS.

У загальному вигляді для рівняння еволюції густини зернограничних дислокацій будемо мати:

.

Його рішення при цілком логічних початкових умовах rgb = 0 при t = 0 має вид

,

де J = , а = .

Результати чисельного розрахунку густини дислокацій представлені на рис.4. Як видно з рисунка, збільшення параметра J буде приводити до збільшення густини зернограничних дислокацій.

Цей параметр можна розглядати як фізичний критерій, що розділяє інтервали температур прояву ефектів НТРК та ВТРК. Дійсно, при "низьких" температурах tsp дуже великий (дифузія мала), і вирішальне значення буде мати фактор відштовхування F, що, як вже було сказано, буде збільшуватися в результаті опромінення за рахунок росту ступеня блокування дислокаційного ковзання границями зерен.

При високих температурах необхідно враховувати зміну як фактора tsp, так і фактора F. З огляду на те, що tsp ~ 1/D, (де D – коефіцієнт дифузії вакансій по границях зерен), а також на те, що гелій сприяє збереженню вакансійного пересичення на границях зерен, D повинен збільшуватися, а tsp зменшуватися. Що ж стосується фактора F, то за високих температур механічних випробувань він буде істотно зменшуватися через збільшення потужності границь зерен як стоків для матричних дислокацій, про що вже говорилося вище.

Рис.4. Залежність густини зернограничних дислокацій від часу при різних значеннях параметра J. (J = 2) – крива 1; (J = 3) – крива 2; (J= 4) – крива 3

У результаті при високих температурах механічних випробувань параметр J буде збільшуватися, що приведе до збільшення густини зернограничних дислокацій і до інтенсифікації зернограничного проковзування.

Таким чином, запропонований в моделі аналітичний вираз для зміни густини зернограничних дислокацій і його розв'язання відповідає експериментальним даним, отриманим у роботі, і може бути використаний для опису результатів механічних випробувань, проведених за будь-яких температур.

У п'ятому розділі "Фізичні механізми впливу рідкоземельних елементів на радіаційне зміцнення й крихкість" проаналізовані експериментальні результати вивчення температурних, концентраційних, дозових залежностей механічних властивостей, структурних, ядерно-фізичних методів дослідження опромінених конструкційних матеріалів, легованих РЗЕ (Ni, Cu, V, Fe, нержавіюча аустенітна сталь), і запропоновані фізичні механізми для пояснення ефектів впливу РЗЕ на схильність матеріалів до низько- і високотемпературної радіаційної крихкості.

Область низькотемпературної радіаційної крихкості. Перші дослідження впливу РЗЕ (ітрію та скандію) на радіаційне зміцнення нікелю, ванадію і заліза знайшли їхній різний вплив. У ванадії та залізі (Оцк-матеріалах) РЗЕ, володіючи рафінуючою дією стосовно домішок впровадження (які в значній мірі визначають радіаційну пошкоджуваність Оцк-матеріалів), можуть знижувати радіаційне зміцнення матеріалів, а у нікелі (ГЦК) вже невелика добавка скандію (0,05 мас.%) підвищує радіаційне зміцнення матеріалу. Подальше легування скандієм, як у межах твердого розчину, так і вище (до 0,5 мас.%) практично не впливає на величину радіаційного зміцнення.

Дослідження були продовжені на сплавах Ni-Pr, Ni-La та сплавах (Cu-Y), опромінених до більш високих доз. Ці дослідження показали, що легування скандієм нікелю приводить до збільшення ступеня радіаційного зміцнення при всіх досліджених дозах (10-4...10–1 зна), температурах (293...773 К) і концентраціях (0,05...0,5 мас.%). Більш складний вплив на радіаційне зміцнення роблять празеодим і лантан, що при концентраціях у межах твердого розчину (Ј 0,1 мас.%) приводять до зменшення величини радіаційного зміцнення.

Як видно з рис.5 найбільша ступінь радіаційної крихкості відповідає меншій різниці атомних радіусів (скандій), а мінімальна крихкість (лантан) – найбільшій величині невідповідності атомних радіусів. Цікаво відзначити, що цій ж закономірності напевно підкоряються і мідні сплави системи Cu-Y, на що вказує абсолютно точне "влучення" крапки із символом на криву 1. Дослідження, проведені при підвищених температурах, показали, що така залежність практично для всіх елементів зберігається до температур механічних випробувань 773 К.

Були досліджені фізичні механізми впливу скандію на ступінь радіаційного зміцнення й крихкості. Проведені за допомогою математичного моделювання експерименти показали, що збільшення радіаційного зміцнення нікель-скандієвих сплавів зв'язане з тим, що в них може досягатися більш висока нерівноважна концентрація вакансій. З огляду на те, що значення нерівноважної концентрації точкових дефектів у сплавах за рівних умов залежить від величини енергії зв'язку Evp і Eip, відповідно, "вакансія – атом домішки", та "міжвузловий атом – атом домішки", була запропонована схема, що пояснює вплив домішок на радіаційне зміцнення та пов'язує його величину з енергіями зв'язку комплексів vp і ip.

Рис.5. Вплив величини невідповідності атомних радіусів легуючих елементів у нікелі на ступінь радіаційної крихкості. Температура механічних випробувань 293 К (1), 573 К (2) та 773 К (3); флюенс опромінення 0,1 зна; символ відповідає сплаву Cu+0,025Y при температурі механічних випробувань 293 К

Дійсно: –

радіаційне зміцнення пропорційне розміру і концентрації дислокаційних петель (ДП);–

швидкість росту ДП пропорційна надлишковій концентрації вакансій;–

рівень надлишкової концентрації дефектів визначається процесами рекомбінації і захоплення дефектів домішками. При цьому ефективними пастками