Національний науковий центр

“Харківський фізико-технічний інститут”

ЗАРИЦЬКИЙ Микола Сергійович

УДК 621.039.531:539.67

ПІДВИЩЕННЯ СТРУКТУРНОЇ СТАБІЛЬНОСТІ

ГЦК-СПЛАВІВ НА ОСНОВІ АЛЮМІНІЮ ТА ЗАЛІЗА

ШЛЯХОМ ВВЕДЕННЯ ОПТИМІЗОВАНИХ ДОМІШОК СКАНДІЮ

01.04.13 - фізика металів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Харків – 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Науковому центрі “Інститут ядерних досліджень” Національної Академії Наук України.

Карасьов В. С.

Науковий керівник:доктор фізико-математичних наук, професор

НЦ “Інститут ядерних досліджень” НАН України, начальник відділу

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор, Сльозов В.В.,

ННЦ “Харківський фізико-технічний інститут”, начальник лабораторії

доктор фізико-математичних наук, професор, Ільїнський О.І.,

Харківський державний політехнічний університет, завідувач кафедри

Провідна установа:

Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України,

відділ фізики та технології матеріалів на основі хрому

Захист відбудеться 22 червня 1999 р. о 15-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.845.01 у Національному науковому центрі “Харківський фізико-технічний інститут” за адресою: 310108, м. Харків, вул. Академічна, 1.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного наукового центру “Харківський фізико-технічний інститут” за адресою: 310108, м. Харків, вул. Академічна, 1.

Автореферат розісланий 18.05 1999 р.

Вчений секретар

спеціалізованої ради,

доктор фізико-математичних наук М.І. Айзацький

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В устаткуванні атомної та теплової енергетики, космічної техніки та літальних апаратів широко використовують сплави з гранецентрованою кубічною решіткою, зокрема, нержавіючі аустенітні сталі й алюмінієві сплави. В експлуатаційних умовах (високі температури, інтенсивні потоки випромінювань, корозійно-активні середовища та інші) структурно-фазова стабільність має вирішальне значення для працездатності матеріалів. При створенні радіаційно-стійких сплавів (Паршин О.М., Неклюдов І.М., Мільман Ю.В., Ганн В.В) розроблена низка фізичних підходів для підвищення структурно-фазової стабільності, зокрема: введення в сплави особливих структурних елементів, так званих центрів рекомбінації змінної полярності; створення в сплавах умов для примусової рекомбінації точкових дефектів за рахунок неперервного розпаду твердих розчинів і об'ємної дилатації на межі поділу фаз тощо.

У практичній реалізації таких фізичних підходів особливе місце посідає введення в сплави мікродомішок рідкоземельних елементів (РЗЕ) та скандію. Щоб одержати сплави з необхідними властивостями і структурою, домішки скандію треба чітко дозувати. Комплекс робіт з оптимізації вмісту скандію в алюмінієвих сплавах та аустенітних нержавіючих сталях показав перспективність дозованих домішок для створення радіаційно-стійких матеріалів. Разом з тим актуальним є проведення досліджень з встановлення закономірностей впливу оптимізованих домішок скандію на формування дислокаційної структури та поводження атомів гелію в ГЦК-сплавах, перспективних для реакторобудування.

Зв'язок роботи з науковими темами. Результати досліджень використані в ДНТЦ ЯРБ Мінекобезпеки України під час виконання робіт за угодою між GRS (Німеччина) та Адміністрацією ядерного регулювання (Україна) з теми “Оцінка проблем безпеки для енергоблоків АЕС України” (1996-1998 р.р.) та у розробках НЦ “Інститут ядерних досліджень” НАН України з теми “Дослідження змін властивостей конструкційних матеріалів літальних апаратів у радіаційних полях” (розпорядження Президії НАН України №629 від 01.04.1988 р.), з теми “Дослідження радіаційної стійкості перспективних конструкційних матеріалів ядерних і термоядерних реакторів та шляхів підвищення їхньої експлуатаційної надійності” (звіт НЦ “Інститут ядерних досліджень” НАН України, ГР №01. 88. 0056009, 1988 р.).

Мета роботи: дослідити вплив оптимізованих домішок скандію на міжкристалітну адсорбцію гелію в алюмінієвих сплавах і на термічну стабільність дислокаційної структури аустенітних нержавіючих сталей.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

1. Дослідити закономірності зміни структури та властивостей чистого алюмінію як модельного матеріалу в умовах високотемпературного опромінення іонами гелію.

2. Визначити ефективність впливу дозованої домішки скандію на міжкристалітну адсорбцію гелію в сплаві алюмінію.

3. Дослідити формування та термічну стабільність дислокаційної структури нержавіючих аустенітних сталей, мікролегованих скандієм.

4. Розробити методику та устаткування для вимірювання внутрішнього тертя в металах і сплавах за умов опромінення низькоенергетичними іонами гелію.

5. Вивчити вплив домішок скандію на підвищення структурної стабільності матеріалів, перспективних для реакторобудування.

Наукова новизна:

1. Визначено температурні залежності внутрішнього тертя алюмінію та його сплавів Al-2 ваг.% Mg і Al-2 ваг.% Mg-0,2 ваг.% Sc, опромінених за різних доз низькоенергетичними іонами гелію.

2. Вперше розраховано параметри міжкристалітної адсорбції гелію для алюмінію та його сплавів Al-2 ваг.% Mg і Al-2 ваг.% Mg-0,2 ваг.% Sc.

3. Вперше показано, що мікролегування алюміній-магнієвого сплаву скандієм спричиняє зниження енергії зв'язку гелію з зерномежовими пастками та підвищує дозу опромінення низькоенергетичними іонами, після якої починається інтенсивне пороутворення.

4. Запропоновано експериментальний метод оцінки схильності матеріалів до газового розпухання в імітаційних умовах опромінення, який грунтується на зростанні внутрішнього тертя в інтервалі температур зерномежового піку під час утворення пор у матеріалі.

5. Показано можливість застосування теорії Гранато – Люкке для дослідження дислокаційної структури аустенітних сталей методом внутрішнього тертя.

6. Методом амплітудно-залежного внутрішнього тертя досліджено вплив домішок скандію на дислокаційну структуру аустенітних нержавіючих сталей 08Х18Н10Т, 08Х16Н11М3, 09Х16Н15М3Б і 00Х16Н15М3Б. Вивчено вплив скандію на підвищення термічної стабільності точок закріплення дислокацій.

Практичне значення роботи. Отримані результати можуть використовуватися під час добору конструкційних матеріалів для теплового та ядерного енергетичного устаткування, реакторів термоядерного синтезу, розв'язуванні задач з матеріалознавства у космічному апаратобудуванні, експлуатації газорозрядних приладів, конструюванні та розробці новітніх технологій іонної імплантації. Споживачами розробок можуть бути також академічні та галузеві інститути, вищі навчальні заклади металофізичного профілю.

Теоретичне значення. Результати проведених досліджень можуть бути використані при подальшому розвитку теоретичних основ фізики радіаційних явищ з питань газового розпухання та радіаційного окрихлення. Наприклад, той факт, що розчинені в кристалічній решітці атоми скандію складають конкуренцію для меж зерен як стоку для атомів гелію.

Особистий внесок здобувача:

1. Розроблено установку для вимірювання внутрішнього тертя та модуля пружності матеріалів під час опромінення низькоенергетичними іонами газів.

2. Відпрацьовано методику високотемпературного опромінення металів і сплавів низькоенергетичними іонами гелію.

3. Експериментально досліджено внутрішнє тертя, деякі фізичні властивості та особливості мікроструктури опромінених зразків.

4. Оброблено експериментальні результати за допомогою ПК (Microsoft Exсel).

5. Участь у плануванні експериментів, узагальненні та поясненні їх результатів, теоретичному моделюванні, написання статей та підготовка доповідей на конференціях.

Апробація результатів роботи. Основні матеріали дисертації доповідались та обговорювались на Всесоюзній нараді з механізмів внутрішнього тертя у твердих тілах (м. Батумі, жовтень 1985 р.), III-му Всесоюзному семінарі “Радіаційна пошкоджуваність і працездатність конструкційних матеріалів” (м. Полярні зорі Мурманської області, жовтень 1988 р.), Всесоюзній нараді з механізмів внутрішнього тертя у твердих тілах (м. Тбілісі, червень 1989 р.), Sixth European Conference on Internal Friction and Ultrasonic Attenuation in Solids (Crakov, Poland, September 1991), Specialists Meeting on “Technology for Lifetime Management of Nuclear Power Plant“ Organized by IAEA (Tokyo, Japan, November 1994), Joint EC OECD IAEA Specialists Meeting on “NDE Techniques Capability Demonstration and Inspection Qualification“ (Petten, The Netherlands, March 1997).

У повному обсязі дисертація доповідалась в НЦ “Інститут ядерних досліджень” НАН України, НТУ України “Київський політехнічний інститут” та Інституті проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України.

Публікації. З теми дисертації опубліковано 7 наукових праць (одна брошура, 4 статті у наукових журналах і 2 доповіді у матеріалах міжнародної конференції), із них 4 публікації - у фахових виданнях.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, п'ятьох розділів, висновків і списку використаних джерел, що містить 141 посилання. Вона викладена на 145 сторінках машинописного тексту, включаючи 36 ілюстрацій і 12 таблиць обсягом 16 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі охарактеризовано стан проблеми досліджень, обгрунтовано актуальність теми, сформульовано мету і основні задачі роботи, визначено наукову новизну та практичну цінність отриманих результатів.

У першому розділі подано літературний огляд. Проаналізовано вплив домішок РЗЕ на структурно-фазовий стан сплавів на основі алюмінію, нікелю та ГЦК- сплавів на основі заліза в умовах опромінення нейтронами і зарядженими частинками. Розглянуто сучасний стан проблеми впливу атомів гелію на структуру та властивості конструкційних матеріалів. Зазначено недостатність даних про вплив домішок РЗЕ на взаємодію атомів гелію з межами зерен та стабільність дислокаційної структури металів. Показано можливості та переваги методу внутрішнього тертя для дослідження взаємодії домішкових атомів з межами зерен і дислокаціями (Криштал М.А., Золотухін І.В., Вибойщик М.О., Гринік Е.У., Кушнарьова Н.П.).

У другому розділі наведено дані про об'єкти досліджень та методики проведення експериментів. Досліджуваними матеріалами були ГЦК-сплави:

- чистий алюміній (99,99 ваг.%) як модельний матеріал, сплав Al-2ваг.%Mg і алюміній-магнієвий сплав, модифікований скандієм, Al-2ваг.%Mg-0,2ваг.%Sc;

- нержавіючі сталі аустенітного класу 09Х16Н15М3Б, 08Х18Н10Т, 08Х16Н11М3, 00Х16Н15М3Б і їхні аналоги з домішкою Sc у кількості 0,12 ваг.%.

Зразки для досліджень виготовлені в Інституті металургії ім. О.О. Байкова та ННЦ “Харківський фізико-технічний інститут”. Досліджувані об’єкти є перспективними конструкційними матеріалами для ядерної та термоядерної енергетики.

Зразки опромінювали іонами гелію із плазми тліючого розряду за напруги U=(100…500) В та густини сили струму I=(10…400) Ам-2. Температура зразків при цьому становила ~ 650 К. Енергію іонів на поверхні об’єктів дослідження регулювали зміною різниці потенціалів між електродами. Значення дози опромінення підраховували за формулою

, (1)

де Ф - доза опромінення, м-2; I -густина сили струму тліючого розряду, мА·см-2; t - тривалість опромінення, с.

Для вимірювання температурних і амплітудних залежностей внутрішнього тертя і модуля пружності металів під час опромінення газорозрядними іонами розроблена низькочастотна установка типу згинного маятника з електромагнітним збудженням та ємнісною системою реєстрації коливань зразка.

В основу установки покладено “резонансний” принцип, коли мірою внутрішнього тертя є зміна амплітуди резонансу. За таких умов амплітудно-незалежне внутрішнє тертя визначається формулою

(2)

де - стала, пропорційна силі, що збуджує коливання зразка; - резонансна амплітуда; - резонансна частота.

За даної резонансної частоти fP=3…10 Гц, залежно від різних чинників, при N=const зміни характеризуються зміною резонансної амплітуди .

Перевагою запропонованої методики перед іншими є можливість опромінення зразків низькоенергетичними іонами із плазми тліючого розряду безпосередньо в установці для вимірювання внутрішнього тертя.

Подано докладний опис обладнання та принципу дії установки. Проведено аналіз похибок вимірюваних величин. Експериментальні результати оброблялись з використанням сучасних методів математичної статистики за допомогою ПК.

Вивчення кількості гелію, накопиченого в опромінених зразках, а також кінетики газовиділення під час нагрівання проводилось за різних швидкостей нагрівання (vн1=0,083 К·с-1 та vн2=0,25 К·с-1) на установці для термокінетичного аналізу.

Структурні особливості опромінених матеріалів вивчались за допомогою рентгенівського дифракційного аналізу на дифрактометрі ДРОН-2,0 у Cu-K-випромінюванні в дискретному режимі. Значення мікронапружень у зразках оцінювали методом апроксимації. Мікроструктура зразків досліджувалась на металографічному мікроскопі МИМ-7 та електронному мікроскопі ЭВМ-1000ЛМ за трансмісійною методикою. Для вивчення впливу гелію на характеристики міцності здійснювали механічні випробування плоских зразків із розмірами робочої частини 13х3х1 мм за швидкості розтягу 2,7·10-5 м·с-1 за стандартною методикою.

Третій розділ присвячено дослідженню закономірностей зміни структури і властивостей алюмінію, опроміненого низькоенергетичними іонами гелію.

Встановлено, що спектри термодесорбції гелію із зразків алюмінію, опроміненого іонами гелію від 5,4·1024 до 1,25·1026 м-2, складаються з двох піків: перший, низькотемпературний пік із максимумом при Т~715 К і другий, плавильний пік - при температурі Т~940 К. Відсутність піків на кривих газовиділення за ще нижчих температур зумовлена досить високою температурою опромінення ~0,65·ТПЛ та вказує на те, що вже в процесі опромінення атоми гелію захоплюються потужними пастками.

Методом темперінга (зміною швидкості нагрівання зразків) оцінена енергія активації термодесорбції гелію при Т~715 К, яка становить ~1,9 еВ. Близькість отриманого значення енергії активації газовиділення до значення енергії активації самодифузії в алюмінії (~1,5 еВ) та високотемпературне положення піку (~0,75ТПЛ) вказують на те, що виділення гелію визначається дисоціацією гелійвакансійних комплексів НеVn і міграцією його за вакансійним механізмом. Показано, що енергія активації міграції в цьому випадку визначається так:

, (3)

де - енергія утворення вакансії; - енергія міграції вакансії ; - енергія, яка необхідна для переміщення атома гелію із положення заміщення в сусідню вакансію.

Встановлено, що зі збільшенням дози опромінення в межах від 5,41024 до 5,41024 м-2 температура максимального газовиділення знижується на ~25 К, що обумовлено змінами умов міграції атомів гелію до поверхні зразка, пов'язаних з підвищенням концентрації та величиною заглиблення.

За даними термодесорбції будували залежності концентрації гелію в зразках від дози опромінення. Виявлено, що зі збільшенням дози опромінення в межах Ф4·1026 м-2 концентрація гелію в зразках алюмінію монотонно збільшується, а за підвищених доз (Ф5·1026 м-2) накопичення гелію уповільнюється. Досягнуто значних концентрацій гелію в зразках (~10-3 ат.% He) при опроміненні газорозрядною плазмою. Показано, що процеси ерозії опроміненої поверхні обмежують накопичення атомів гелію в зразках.

Накопичення гелію в металевій матриці спричинює розвиток газової пористості. Методом трансмісійної електронної мікроскопії виявлено мікробульбашки розмірами до 0,1 мкм на глибині біля 100 мкм від поверхні, опроміненої дозою Ф=2,7·1025 м-2 (рис.1,а). За допомогою оптичної мікроскопії виявлено пори (діаметром до 10 мкм) на глибинах понад 100 мкм від поверхні при підвищенні дози опромінення до Ф=1,25·1026 м-2 (рис.1,б).

Встановлено, що опромінення низькоенергетичними іонами гелію дозою Ф=5,4·1025 м-2 призводить до зменшення пластичності зразків (до 50%) за температур випробувань ~0,65ТПЛ, що свідчить про високотемпературне гелієве окрихлення. Атоми гелію порушують баланс міцності тіла зерна та границь зерен, що призводить до руйнування опромінених зразків по границях зерен.

а (х 70000, Ф=2,5·1025 м-2) б (х 600, Ф=1,25·1026 м-2)

Рис.1 Мікроструктура зразків алюмінію за різних доз опромінення низькоенергетичними іонами гелію

Інформацію про стан атомів гелію в решітці алюмінію та змінах, пов'язаних з утворенням і розвитком пористості, отримано рентгеноструктурним методом. Побудовано залежності змін періоду решітки й інтегральної ширини лінії (200) від дози опромінення (рис.2). Виявлено, що за малих доз опромінення (Ф2,5·1025 м-2) спостерігається зменшення періоду решітки і значне збільшення величини мікронапружень, яке проявляється в різкому розширенні дифракційних ліній. Подальше підвищення дози опромінення призводить до відновлення періоду решітки і релаксації мікронапружень.

Встановлено, що збільшення концентрації гелію в металевій матриці змінює стан атомів гелію у такій послідовності: розчин заміщення газовакансійні комплекси пороутворення. Існування розчину впровадження гелію в алюмінії, що супроводжується збільшенням періоду решітки, виключається внослідок значної концентрації термічних вакансій і високої рухливості міжвузельних атомів гелію за даних температур опромінення. За цих умов найімовірнішим є захват атомів гелію вакансіями з утворенням твердого розчину заміщення та

Рис.2 Залежності зміни періоду решітки () і ширини інтегральної лінії (200) () алюмінію від дози опромінення

газовакансійних комплексів. Таким чином, спільне існування твердого розчину заміщення і газовакансійних комплексів на ранніх стадіях опромінення спричиняє зменшення періоду решітки і підвищення рівня мікронапружень. За умов подальшого опромінення та підвищення концентрації гелію, ймовірно, комплекси досягають критичних розмірів і створюються умови для появи газонаповнених пухирців. При цьому напруження в решітці релаксують, що підтверджується відновленням форми дифракційних максимумів (див.рис.2).

У четвертому розділі викладено результати досліджень міжкристалітної внутрішньої адсорбції гелію в алюмінії і його сплавах та дано оцінку ефективності домішок скандію у формуванні стоків для атомів гелію. На вихідних температурних залежностях внутрішнього тертя виявлено добре відтворювані піки з максимумами при температурах 650, 520 і 530 К для зразків алюмінію (рис.3), сплавів Al-2ваг.%Mg і Al-2ваг.%Mg-0,2ваг.%Sc, відповідно. За формулою Верта – Маркса визначено енергію активації цих піків, яка становила 1,2 еВ. Порівняння значень енергії активації і температурного положення піків з літературними даними показало, що ці піки є зерномежовими.

Встановлено, що за доз опромінення Ф1,7·1026 м-2 накопичення атомів гелію в кристалічній решітці алюмінію та його сплавів не спричиняло появи домішкових піків на температурних залежностях внутрішнього тертя (див.рис.3), проте істотно впливало на внутрішнє тертя в інтервалі температур зерномежової релаксації. Виявлено, що за малих доз опромінення (Ф2,51025 м-2) спостерігається зниження висоти максимумів внутрішнього тертя та їхньої температури, а при подальшому збільшенні дози (Ф51025 м-2) – зростання висоти й стабілізація температури піків (рис.4).

За результатами структурних досліджень, рентгеноструктурного аналізу і методу внутрішнього тертя встановлено зв'язок між змінами мікроструктури, параметру решітки, мікронапружень, висоти і температури піка зерномежової релаксації для опромінених зразків. Показано, що за малих доз опромінення (до Ф2,51025 м-2) зміни висоти і температури піка внутрішнього тертя зумовлені накопиченням гелію в кристалічній решітці та існуванням твердого розчину заміщення і газовакансійних комплексів.

Рис.4 Залежність зміни висоти і температури зерномежових піків від дози опромінення:

-алюміній (99,99 ваг.%) ; -Al-2ваг.% Mg ; -Al-2 ваг.% Mg-0,2 ваг. % Sc

Така закономірність зміни параметрів зерномежового внутрішнього тертя характерна для адсорбційного насичення меж зерен домішками без виділення фаз. За методикою Глікмана Є.Е. і Пигузова Ю.В. визначалась енергія зв'язку домішок із межами зерен за формулою:

(4)

де - стала Больцмана; - температура, що відповідає зерномежовому максимуму внутрішнього тертя в момент досягнення насичення; та -концентрація домішок у матеріалі та в адсорбційній зоні меж зерен, відповідно.

Розраховані значення енергії F для алюмінію та його сплавів подано у табл.1. Тут же наведено концентрації гелію в зразках і температури піків, що відповідали дозам опромінення, за яких висота зерномежового максимуму досягала насичення. Зазначено, що енергія зв'язку для атомів гелію значно перевищує аналогічні величини для інших домішок у твердих розчинах, зокрема за даними Глікмана Є.Е. і Пигузова Ю.В. - енергію зв'язку поверхнево активного бору в міді та вуглецю в залізі. Така особливість міжкристалітної адсорбції гелію спричиняє його накопичення на межах зерен, формування газових пухирців і розвиток високотемпературного радіаційного окрихлення.

Таблиця 1 - Параметри стійкості алюмінію та його сплавів до опромінення низькоенергетичними іонами гелію

Матеріал | Вихідна температура піка ТВХ, К | Температура насичення піка , К | Концентрація гелію, ат.% | Енергія зв'язку, еВ | Критична доза ФS, м-2

Al | 650 | 620 | 2,5· 10-4 | 0,730,03 | 2,5· 1025

Al-2 %Mg | 520 | 490 | 6,25· 10-4 | 0,640,03 | 4,5· 1025

Al-2%Mg-0,2 % Sc | 530 | 520 | 7,5· 10-4 | 0,540,03 | 7,5· 1025

На основі мікроструктурних досліджень встановлено, що зростання максимуму зерномежового піка внутрішнього тертя при збільшенні дози опромінення (Ф51025 м-2) пов'язане з утворенням гелієвих пухирців. Показано, що доза опромінення , за якою спостерігається зростання внутрішнього тертя, є критичною дозою початку інтенсивного пороутворення і може характеризувати схильності матеріалів до газового розпухання внаслідок опромінення низько-енергетичними іонами.

Встановлено, що мікродомішки скандію знижують енергію зв'язку атомів гелію з межами зерен, підвищують концентрацію атомів гелію в матеріалі, за якої настає адсорбційне насичення меж, і збільшують дозу опромінення, за якої починається інтенсивне пороутворення. Причиною цього є те, що розчинені атоми скандію спричинюють формування значних напружень у решітці сплаву за рахунок радіусної невідповідності та являються ефективними пастками для атомів гелію.

Зародження та ріст газових пухирців на межах зерен контролюється міграцією гелію із металевої матриці до межі та його подальшою дифузією уздовж межі. Це спричиняє утворення об'ємно-неоднорідного розподілу пухирців в зонах, які прилягають до межі. В умовах конкуруючих стоків (межі зерен, дислокації, вакансії тощо) атоми скандію утримують гелій в тілі зерна. Утворюючи субмікропухирці з рівномірним розподілом значної густини, і, таким чином, знижують його накопичення на межах зерен. Подібним чином можуть впливати і когерентні виділення наночасток фази ScAl3. Показано, що висока ефективність скандію як стоку для атомів гелію є важливим чинником для підвищення структурної стабільності сплавів в умовах високотемпературного радіаційного окрихлення та розпухання.

У п’ятому розділі подано результати дослідження впливу домішок скандію на термічну стабільність дислокаційної структури аустенітних нержавіючих сталей 08Х18Н10Т, 08Х16Н11М3, 09Х16Н15М3Б і 00Х16Н15М3Б.

Встановлено, що для аустенітних сталей та їхніх аналогів із домішками 1,2 ваг.% Sc за температур 300 і 775 К залежності подібні: при досягненні деякої критичної амплітуди деформації внутрішнє тертя різко зростає (рис.5,а) та стає амплітудно-залежним. У рамках теорії Гранато–Люкке це зумовлено відривом дислокацій від точок закріплення з подальшим їх рухом під дією прикладених напружень.

|

а б

Рис.5 Амплітудні залежності внутрішнього тертя (а) і графіки Гранато–Люкке (б) сталей 00Х16Н15М3Б ( ) і 00Х16Н15М3Б+Sc ( ) при 300 К ( ) і 775 К ( )

Результати вимірювання амплітудно-залежного внутрішнього тертя досліджуваних сталей було представлено формулою Гранато–Люкке :

, (5)

де - амплітуда деформації; ; ; ; - орієнтаційний фактор; ; - модуль зсуву; - вектор Бюргерса; - натяг дислокації; - параметр невідповідності Котрелла; - довжина петель дислокаційної сітки; - середня відстань між точками закріплення дислокацій; - щільність дислокацій, що беруть участь у процесі відриву від точок закріплення.

Перебудовані експериментальні результати для досліджуваних сталей в координатах мають лінійну залежність (рис.5,б). При цьому, значення (нахил прямої) прямопропорційне густині точок закріплення дислокацій, а відношення характеризує густину рухливих дислокацій (значення дорівнює відрізку на осі абсцис за умов ).

У табл.2 подано відносні зміни значень коефіцієнтів і , обчислених за даними графіків Гранато–Люкке для сталей залежно від модифікування та температури.

Таблиця 2 - Відносні зміни параметрів дислокаційної структури

аустенітних нержавіючих сталей при зміні температур від 300 до 775 К

Сталь | Відносні зміни густини точок закріплення дислокацій, % | Відносні зміни густини

рухливих дислокацій, %

при нагріванні | ефект впливу домішки Sc | при нагріванні | ефект впливу домішки Sc

00Х16Н15М3Б | -53 | +26 | +185 | -48

00Х16Н15М3Б+ Sc | -39 | +97

09Х16Н15М3Б | -74 | +6 | +190 | -49

09Х16Н15М3Б+ Sc | -69 | +97

08Х18Н10Т | -58 | +26 | +272 | -65

08Х18Н10Т+Sc | -43 | +93

08Х16Н11М3 | -38 | -31 | +86 | -52

08Х16Н11М3+ Sc | -50 | +41

Показано, що для досліджених сталей за підвищених температур спостерігається зниження густини точок закріплення дислокацій і підвищення густини рухливих дислокацій. Це зумовлено як розчиненням карбідів хрому та заліза, так і термічно активованим відривом дислокацій від точок закріплення. Експериментально встановлено, що мікродомішки скандію підвищують термічну стабільність дислокаційної структури аустенітних сталей, а саме:

- збільшують густину точок закріплення дислокацій;

- густина точок закріплення дислокацій при підвищенні температури для модифікованих сталей збільшується;

- за підвищених температур у модифікованих сталей повільніше зростає густина рухливих дислокацій.

Виявлено, що збільшення густини точок закріплення дислокацій в модифікованих сталях зумовлено утворенням атмосфер з атомів скандію на дислокаціях. За даними Неклюдова І.М. і Воєводіна В.Н. це спричиняє зниження вакансійного пороутворення та радіаційного розпухання матеріалів. Ослаблення розпухання пов'язують з екрануванням дислокацій домішками від міжвузельних атомів, затримкою точкових радіаційних дефектів у матриці та, як результат, підвищенням ймовірності їх рекомбінації при зустрічі.

Встановлено, що вплив домішок скандію на термічну стабільність дислокаційної структури залежить від хімічного складу аустенітних сталей. Найефективніший вплив скандію виявлено у низьковуглецевої сталі 00Х16Н15М3Б; він полягає у значному підвищенні густини точок закріплення та найменшими, відносно інших сталей, змінами параметрів дислокаційної структури при нагріванні. Це зумовлено дією скандію на рафінування меж зерен, перерозподіл карбідів у межах тіла зерен і, внаслідок цього підвищується густина дрібнодисперсних карбідних виділень у зерні. Крім того, розчинені атоми скандію відносно великого радіуса створюють у кристалічній решітці аустеніту пружні поля, які спричиняють формування додаткових точок закріплення дислокацій та стримують їх рух за підвищених температур. У низьковуглецевих сталях така дія скандію може бути впливовішою внаслідок меншого зв’язування атомів скандію у карбіди. Ефективність впливу домішок скандію на термічну стабільність дислокаційної структури вища для сталей, модифікованих ніобієм і титаном. Це зумовлено тим, що скандій впливає на формування мікроструктури сталей ще на стадії виплавки і змінює морфологію розподілення тугоплавких карбідів у зерні та на межах зерен.

Мікролегування нержавіючих аустенітних сталей скандієм підвищує структурну стабільність, воно перспективне для створення нових матеріалів, стійких до радіаційного розпухання та повзучості.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ І ВИСНОВКИ

1. На підставі досліджень мікроструктури та властивостей алюмінію, опроміненого низькоенергетичними іонами гелію за температур Т0,5ТПЛ, отримано низку нових результатів:

- вперше виявлено зниження (до 50%) пластичності зразків алюмінію, опромінених низькоенергетичними іонами гелію і випробуваних при температурі Т0,65ТПЛ;

- встановлено кореляційний зв'язок між змінами мікроструктури, параметра решітки, мікронапружень і внутрішнього тертя в зразках, які зумовлені накопиченням гелію та еволюцією структури металу;

- вперше досягнуто значної концентрації гелію (до 10-3 ат.%) у зразках за доз опромінення Ф1026 м-2.

2. Виявлено закономірність змін внутрішнього тертя в інтервалі температур зерномежової релаксації в опромінених іонами гелію зразках алюмінію та його сплавах: за малих доз опромінення (Ф2,5·1025 м-2) спостерігається зменшення висоти і зниження температури максимумів внутрішнього тертя, що вказує на адсорбційне насичення меж зерен; при подальшому підвищенні доз опромінення Ф5·1025 м-2 – аномальне зростання висоти та стабілізація температури максимумів, що зумовлено розвитком газової пористості в матеріалах.

3. Вперше експериментально оцінені значення енергії зв'язку атомів гелію з зерномежовими пастками для алюмінію і його сплавів Al-2 ваг. %Mg, Al-2ваг.%Mg-0,2ваг.%Sc. Зазначено, що енергія зв'язку для атомів гелію значно перевищує аналогічні величини для інших домішок у твердих розчинах. Показано, що домішки 0,2 ваг.% скандію в алюміній-магнієвий сплав спричиняють зниження енергії зв'язку гелію з зернограничними пастками на 20% та майже в два рази підвищують стійкість сплаву до розпухання. Це зумовлено ефективною дією розчинених атомів скандію та формуванням фазових виділень в тілі зерна як стоків для атомів гелію.

4. Досліджено амплітудні залежності внутрішнього тертя нержавіючих сталей 09Х16Н15М3Б, 08Х18Н10Т, 08Х16Н11М3, 00Х16Н15М3Б та цих самих сталей із домішками 0,12 ваг.% Sc за температур 300 і 775 К. Показана можливість оцінки їхньої дислокаційної структури в рамках моделі Гранато–Люкке. Встановлено, що домішки скандію в нержавіючій сталі спричиняють підвищення термічної стабільності їх дислокаційної структури, яка виявляється в меншій зміні як густини точок закріплення (до 26%), так і рухливих дислокацій (до 65%) за всіх досліджуваних температур.

5. Встановлено, що ефективність домішок скандію на термічну стабільність дислокаційної структури залежить від хімічного складу нержавіючих сталей. Найістотніше домішки скандію впливають при легуванні низьковуглецевої сталі, що пояснюється перерозподілом вуглецю в межах аустенітного зерна за рахунок рафінування меж зерен та створенням додаткових стопорів для дислокацій. Ефективність дії мікродомішок скандію вища для сталей, модифікованих ніобієм і титаном, що зумовлено переважно зміною морфології розподілу карбідів і інтерметалідів у тілі зерна та на межах.

6. Показано, що введення домішок скандію у ГЦК-сплави підвищує структурну стабільність і може бути використано під час розробки нових матеріалів реакторобудування, стійких до високотемпературного гелієвого окрихлення, радіаційного розпухання та повзучості.

Основні результати дисертації опубліковані у працях:

1. Зарицький М.С. Метод внутрішнього тертя в матеріалознавстві. - К.: "Либідь”,1999. – 36 с.

2. Зарицкий Н.С., Ожигов Л.С. Влияние добавки скандия на параметры дислокационной структуры нержавеющих сталей Х16Н15М3Б // Вопросы атомной науки и техники. Сер.: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение.- 1998.- Вып. 6(72).- С. 23-26.

3. Зарицкий Н.С. Зернограничные релаксационные явления в алюминии и его сплавах, облученных низкоэнергетическими ионами гелия // Ядерная и радиационная безопасность. - 1998. - Том №1.- Вып.1. - С.243-250.

4. Гуревич М.Е., Журавлев А.Ф., Зарицкий Н.С. Исследование теплоемкости кобальта в области ориентационных фазовых переходов // Металлофизика.- 1987. – Том 9. - №4. – С.108-110.

5. Гуревич М.Є., Зарицький М.С., Ларіков Л.Н., Погорєлов О.Є., Фальченко В.М. Вплив дефектів кристалічної будови на параметри масопереносу у нікелі при імпульсній дії випромінювання ОКГ // Доповіді Академії Наук Української РСР, серія А. Фізико-математичні та технічні науки. - 1979. - №9 – С. 740-743.

6. Зарицкий Н.С., Карасев В.С., Цыбулько Ю.А. Поведение атомов гелия в алюминии и его сплавах // Радиационное материаловедение (Труды международной конференции по радиационному материаловедению, Алушта, 22-25 мая 1990 г.). - Харьков: ХФТИ.- 1991. - Том 6. – С. 54-59.

7. Карасев В.С., Зарицкий Н.С., Мамчич С.Д., Чирко Л.И., Журов В.И., Гарачук О.К. Структура и свойства сплава САВ-1 после длительного реакторного облучения // Радиационное материаловедение (Труды международной конференции по радиационному материаловедению, Алушта, 22-25 мая 1990 г.). – Харьков: ХФТИ.- 1991. - Том 8. – С. 112-117.

Зарицький М.С. Підвищення структурної стабільності ГЦК-сплавів на основі алюмінію та заліза шляхом введення оптимізованих домішок скандію. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.13 - фізика металів. - ННЦ “Харківський фізико-технічній інститут”, Україна, Харків, 1999.

Дисертація присвячена дослідженню підвищення радіаційної стійкості конструкційних матеріалів ядерної та термоядерної енергетики шляхом їх мікролегування скандієм. Показано, що при опроміненні низькоенергетичними іонами за дози 1,71026 м-2 оптимізовані домішки скандію в алюмінієвих сплавах спричиняють зменшення на 20% енергії зв’язку гелію з зерномежовими пастками та в два рази підвищують стійкість сплавів до розпухання. Домішки скандію в алюмінієвих сплавах створюють особливі наноструктурні елементи, які здатні до утримання атомів гелію в тілі зерна. Виявлено вплив домішок скандію на підвищення термічної стабільності дислокаційної структури в нержавіючих сталях, який проявляється у збільшенні густини точок закріплення дислокацій (до 26%) та зменшення густини рухливих дислокацій (до 65%) за всіх досліджуваних температур.

Ключові слова: фізика радіаційних явищ, алюмінієві сплави, нержавіючі сталі, скандій, опромінення, низькоенергетичні іони гелію, метод внутрішнього тертя, міжкристалітна адсорбція, дислокаційна структура.

Zaritsky Mykola. Improvement of structural stability of face-centered cubic structured alloys based upon aluminum and iron by introduction of optimized additives of scandium - Manuscript.

The thesis for the degree of Candidate of physical and mathematical sciences on speciality 01.04.13 - Physics of Metals.- NSC “Kharkiv Physical and Technical Institute”,Ukraine, Kharkiv, 1999.

The thesis was dedicated to investigate radiation resistance improvement of nuclear and thermonuclear reactors construction materials by scandium micro-additives. It was shown that under exposure by low-energy ions of about 1,71026 m-2 the optimized scandium additives in aluminum alloys reduce by 20% the energy of helium binding with grain-boundary traps and two times increase resistance to swelling. Scandium additives create special nanostructural elements in aluminum alloys that are capable of helium atoms keeping within body of grains. It was disclosed that doping of austenitic stainless steels by scandium improves thermal stability of dislocation structure, which manifests itself as increasing of points fastening dislocation density (up to 26%) and lowering of movable dislocation density (down to 65%) under all the temperatures tested.

Key words: physics of radiation phenomena, aluminum alloys, stainless steels, scandium, irradiation, low-energy helium ions, method of internal friction, inter-crystallite adsorption, dislocation structure.

Зарицкий Н.С. Повышение структурной стабильности ГЦК-сплавов на основе алюминия и железа путем введения оптимизированных добавок скандия. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.13 - физика металлов. - ННЦ “Харьковский физико-технический институт”, Украина, Харьков, 1999.

Диссертация посвящена исследованию повышения термической стабильности и радиационной стойкости конструкционных материалов для ядерной и термоядерной энергетики. Для создания радиационно-стойких сплавов разработан ряд физических подходов по повышению их структурно-фазовой стабильности, в частности, введение в сплавы особых структурных элементов- центров рекомбинации переменной полярности; создание в сплавах условий для принудительной рекомбинации точечных дефектов за счет непрерывного распада твердых растворов и объемной дилатации на границе раздела фаз и др. Исследованиями алюминиевых сплавов и аустенитных нержавеющих сталей показана перспективность оптимизированных добавок скандия для практической реализации таких физических подходов. Вместе с тем, актуальным является проведение исследования влияния добавок скандия на формирование дислокационной структуры и поведение атомов гелия в ГЦК-сплавах.

Цель работы: изучить влияние оптимизированных добавок скандия на межкристаллитную адсорбцию гелия в алюминиевых сплавах и на термическую стабильность дислокационной структуры аустенитных нержавеющих сталей.

Объектами исследования были выбраны ГЦК-сплавы: чистый алюминий (99,99 вес.%) как модельный материал, сплав Al-2вес.%Mg и алюминий-магниевый сплав, модифицированный скандием, Al-2вес.%Mg-0,2вес.%Sc; нержавеющие стали аустенитного класса 09Х16Н15М3Б, 08Х18Н10Т, 08Х16Н11М3, 00Х16Н15М3Б и их аналоги с добавкой 0,12 вес.% Sc.

Для проведения исследования разработана специальная установка, позволяющая проводить измерения внутреннего трения и модуля упругости материалов в интервале температур 300…1000 К и в условиях облучения низкоэнергетическими ионами газов. В работе использованы методы термодесорбционной спектроскопии, оптической и электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа, а также осуществлялись механические испытания исходных и облученных образцов на растяжение.

На основании исследований алюминия, облученного низкоэнергетическими ионами гелия при температурах Т0,5ТПЛ и дозах облучения Ф1026 м-2, выявлены закономерности изменений микроструктуры, параметра решетки, микронапряжений и внутреннего трения в образцах, обусловленные накоплением гелия в твердом растворе и последующим развитием пористости.

Обнаружены закономерности изменения внутреннего трения в области зернограничной релаксации в облученных ионами гелия образцах алюминия и его сплавов: при малых дозах облучения (Ф2,5·1025 м-2) наблюдается снижение высоты и температуры максимумов внутреннего трения, что указывает на адсорбционное насыщение границ зерен; при дальнейшем повышении дозы (Ф5·1025 м-2) - аномальный рост высоты и стабилизация температуры максимумов, обусловленные развитием газовой пористости в материалах.

Впервые экспериментально определены значения энергии связи атомов гелия с зернограничными ловушками для алюминия и его сплавов. Добавка 0,2вес.% скандия в алюминий-магниевый сплав приводит к снижению на 20% энергии связи с зернограничными ловушками и в два раза повышает стойкость к газовому распуханию, что обусловлено действием растворенных атомов скандия и фазовых выделений в теле зерна как стоков для атомов гелия.

Исследованы амплитудные зависимости внутреннего трения нержавеющих сталей 09Х16Н15М3Б, 08Х18Н10Т, 08Х16Н11М3, 00Х16Н15М3Б и этих же сталей с добавками 0,12 вес.% Sc при температурах 300 и 775 К и показана возможность оценки их дислокационной структуры в рамках модели Гранато–Люкке. Установлено, что добавки скандия в нержавеющие стали приводят к повышению термической стабильности их дислокационной структуры, что проявляется в повышении плотности точек закрепления (до 26%) и снижении плотности подвижных дислокаций (до 65%) при всех исследованных температурах. Диссертация изложена на 145 стр., содержит 36 рисунков и 12 таблиц. Библиография - 141.

Ключевые слова: физика радиационных явлений, алюминиевые сплавы, нержавеющие стали, скандий, облучение, низкоэнергетические ионы гелия, метод внутреннего трения, межкристаллитная адсорбция, дислокационная структура.