Структурно-физические аспекты радиационного распухания и вакансионного порообразования в конструкционных материалах атомных энергетических установок

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Специальность: 05.02.01 - Материаловедение (машиностроение)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Тема:

Структурно-физические аспекты радиационного распухания и вакансионного порообразования в конструкционных материалах атомных энергетических установок

Звягин Владимир Борисович

Санкт-Петербург - 2009

Работа выполнена на кафедре материаловедения и технологии материалов и покрытий Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Северо-Западный государственный заочный технический университет" (ГОУВПО "СЗТУ")

Научный консультант: заслуженный деятель науки и техники РФ, академик АИН РФ, доктор технических наук, профессор Паршин Анатолий Максимович

Официальные оппоненты:

заслуженный деятель науки и техники РФ, заслуженный работник высшей школы, доктор физико-математических наук, профессор Калин Борис Александрович

доктор технических наук, профессор Рыбников Александр Иванович

доктор технических наук Фабрициев Сергей Анатольевич

Ведущая организация: институт проблем машиноведения Российской академии наук

С диссертационной работой можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ГОУВПО "СПбГПУ"

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор В.Н. Востров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТы

Актуальность темы исследования. Основополагающим фактором, определяющим уровень развития материального производства, является состояние энергетики. Проблемы энергетики особенно обострились сейчас в условиях глобального финансово-экономического кризиса. Но именно энергетика может и должна сыграть ключевую роль в преодолении кризиса и дальнейшем развитии мировой экономики.

После многовекового использования различного рода ископаемого топлива: каменного угля, нефти и нефтепродуктов, человечество уже ищет новые, более оптимальные источники энергии. Такие источники, как солнце, ветер и вода уже давно изучаются в качестве альтернативы ископаемому топливу и даже частично эксплуатируются. Между тем, ядерная энергетика больше чем другие виды энергетики привлекает к себе внимание всех государств. Ныне, около 20% электроэнергии в мире вырабатывается на атомных энергетических станциях (АЭС). Из общего числа АЭС в мире, 204 находятся в Европе, в том числе в России - 10, 122 в США и Канаде, 108 в Азии, и лишь две в Африке.

Развитие атомной энергетики в России определено Концепцией федеральной целевой программы "Развитие атомного энергопромышленного комплекса России на 2007-2010 годы и на перспективу до 2015 года" утвержденной Постановлением Правительства Российской Федерации от 6 октября 2006 года №605.

В настоящее время на 10 атомных станциях России эксплуатируется 31 энергоблок установленной мощностью 23242 МВт, из них 15 реакторов с водой под давлением (9 ВВЭР-1000, 6 - ВВЭР-440), 15 канальных кипящих реакторов (11 РБМК-1000 и 4 ЭГП-6), 1 реактор на быстрых нейтронах. Доля выработки электроэнергии атомными станциями в России -16%.

К числу требований, предъявляемых к конструкционным материалам АЭУ, относится необходимость сохранения в процессе длительной эксплуатации высокого уровня механических и физических свойств основных узлов ядерных и термоядерных энергетических установок.

Создание новых конструкционных материалов или оценка их пригодности к специфическим условиям эксплуатации являются весьма сложными научными и инженерными задачами.

Особую сложность представляют разработка или выбор конструкционных материалов для узлов активной зоны (оболочек твэлов, чехлов технологических каналов и др.) реакторов на быстрых нейтронах, так как флюенс нейтронов на эти материалы составляет до 310²³ нейтр/см² при рабочих температурах 300-700°С. В таких температурно-временных условиях радиационное распухание аустенитных хромоникелевых коррозионностойких сталей и сплавов, являющихся основными конструкционными материалами активных зон атомных энергетических установок, может достигать 10-30%.

В еще более сложных условиях будут работать конструкционные материалы основных узлов термоядерных энергетических установок. Если даже не рассматривать взаимодействие плазмы с поверхностью материала первой стенки, то и тогда остается проблемой предотвращение в нем опасных объемных изменений, снижения механических, физических и других свойств.

Практический интерес к явлению радиационного распухания обусловлен опасностью последствий радиационного распухания конструкционных материалов активной зоны быстрых реакторов и материалов первой стенки термоядерных реакторов: во-первых, может уменьшиться проходное сечение каналов с теплоносителем, что изменит тепловой режим работы реактора; во-вторых, может произойти заклинивание пакетов с твэлами с вытекающими отсюда серьезными последствиями; в-третьих, развитие пористости может значительно ухудшить механические и физические свойства конструкционных материалов и ускорить процесс разгерметизации оболочек твэлов. Таким образом, радиационное распухание и другие отмеченные неблагоприятные последствия нейтронного облучения могут стать определяющими в создании работоспособных и экономичных быстрых реакторов и перспективных термоядерных энергетических установок.

Достигнутые к настоящему времени успехи в изучении явлений вакансионного порообразования и радиационного распухания связаны с работой научных коллективов, возглавлявшихся А.Д. Амаевым, Г.Г. Бондаренко, С.Н. Вотиновым, И.В. Горыниным, В.Ф. Зеленским, Б.А. Калиным, Ю.В. Конобеевым, И.С. Лупаковым, И.М. Неклюдовым, А.М. Паршиным, П.А. Платоновым, В.В. Рыбиным, В.В. Сагарадзе, В.К. Шамардиным, В.А. Цыкановым и другими советскими, российскими и зарубежными учеными.

Выявление природы и механизма зарождения вакансионных пор, а также способов ослабления или подавления радиационного распухания является важнейшей проблемой, имеющей не только теоретическое, но и прикладное значение при изучении прочности конструкционных материалов.

Связь работы с научными программами. Работа выполнена на кафедре Материаловедения и технологии материалов и покрытий ГОУВПО "Северо-Западный государственный заочный технический университет".

Диссертационное исследование Звягина В.Б. выполнялось в рамках прикладных госбюджетных НИР: Г-7-5.1-91 "Повышение физико-механических свойств и эксплуатационных характеристик металлических материалов" (1991-1995 гг.), Г-7-23-96 "Повышение физико-механических свойств и эксплуатационных характеристик металлических материалов" (1996-2000 гг.), Г-7-3-2001 "Повышение физико-механических свойств и эксплуатационных характеристик материалов различного назначения" (2001-2005г.г.), Г-7-01-06 "Комплексное исследование материалов различного назначения с целью оптимизации их физико-механических и служебных свойств" (2006-2011 гг.).

Цель и основные задачи исследования

Целью работы являлось установление закономерностей и физических механизмов влияния параметров облучения, испытания, исходной структуры материала и ее эволюции под действием облучения на эффекты радиационного распухания и вакансионного порообразования применяемых и перспективных материалов водо-водяных энергетических реакторов транспортных и стационарных АЭУ.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Обобщить исследования по проблеме деградации гарантированных свойств металла в конструкции атомных энергетических установок. Определить основные факторы, обуславливающие деградацию свойств металла и установить связь со структурными превращениями в конструкционных материалах в процессе производства и эксплуатации изделий.

2. Определить влияние нейтронного облучения и особенности, при этом, распада твердых растворов на служебные характеристики конструкционных материалов.

3. Установить закономерности изменения механических свойств сталей и сплавов с особенностями легирования и старения в широком интервале температур.

4. Обобщить и проанализировать широкий комплекс исследований по проблеме радиационного распухания конструкционных материалов. Определить основные пути подавления или ослабления радиационного распухания.

5. Исследовать влияние структурно-фазовых превращений на процессы вакансионного порообразования и радиационного распухания в распадающихся пересыщенных твердых растворах сталей и сплавов с твердорастворным упрочнением и дисперсионно-твердеющих.

6. Исследовать физические механизмы влияния микролегирования редкоземельными элементами на склонность облученных материалов к радиационному распуханию.

Объектом исследования является радиационная повреждаемость конструкционные материалов атомных энергетических установок.

Предметом исследования являются закономерности и физические механизмы вакансионного порообразования и радиационного распухания, применяемых и перспективных материалов водо-водяных энергетических реакторов транспортных и стационарных АЭУ, устанавливающие взаимосвязи между параметрами облучения, дефектной структурой и структурными превращениями на различных стадиях распада в облученных материалах.

Базовыми методологическими научными работами диссертационного исследования являются труды отечественных и зарубежных ученых и специалистов по исследуемой проблеме, материалы научно-практических конференций и семинаров, материалы, полученные непосредственно в процессе исследований, на предприятиях и организациях.

Избранные методы исследований базируются на методиках, имеющихся в настоящий момент в радиационном материаловедении, а также широком применении современных методов исследования сталей и сплавов: стандартных механических испытаний, металлографического анализа, электронно-микроскопического анализа, микродифракционного анализа, физико-химического анализа, физических методов исследования и испытаний материалов, математической статистики, теории оптимизации и планирования эксперимента, физического и математического моделирования и согласуются с известным опытом создания и совершенствования сталей и сплавов.

Достоверность и обоснованность основных положений и выводов диссертационной работы обеспечивается тщательной обработкой и обобщением большого объема экспериментальных данных по изучаемой проблеме.

Основные положения, выносимые на защиту:

- закономерности изменения механических свойств сталей и сплавов с особенностями легирования и старения в широком интервале температур;

- закономерности структурных превращений, протекающих в сталях и сплавах на различных стадиях распада твердых растворов, усиливаемых радиационным воздействием;

- определяющее влияние несоответствий, возникающих при распаде пересыщенных (метастабильных) твердых растворов, а также интенсивность распада твердых растворов на повышение способности твердых тел к рекомбинации разноименных точечных радиационных дефектов;

- физические механизмы влияния микролегирования бором и редкоземельными элементами (иттрий, скандий и др.) на склонность облученных материалов к радиационному распуханию;

- установленные температурные зависимости радиационного распухания и вакансионного порообразования в аустенитных сталях типа X15Н15;

- разработанный ряд аустенитных сталей с высокой сопротивляемостью радиационному распуханию;

- явление аномальной рекомбинации разноименных радиационных дефектов, влияние на него различных факторов и теоретическая оценка величины эффекта снижения распухания в условиях аномальной рекомбинации на примере простой модели распадающегося твердого раствора.

Научная значимость полученных результатов:

- впервые установлено, что повышение прочностных свойств (у_в, у_0,2), снижение пластичности ( ,) и увеличение твердости в процессе длительного старения сталей типа 04X15Н15М3Т2Ч и подобных композиций происходит задолго до появления обособленных вторичных интерметаллидных фаз, т. е. изменение механических свойств обусловлено процессами, протекающими на ранних стадиях распада твердого раствора от зарождения сегрегатов, до потери когерентности вторичной фазы. Это свидетельствует о важной роли процессов предвыделения вторичных фаз в изменении комплекса механических и физических свойств;

- автором установлены температурные зависимости радиационного распухания и вакансионного порообразования в аустенитных сталях типа X15Н15;

- проведенными исследованиями отвергается установившееся мнение, что аустенитным хромоникелевым сталям и сплавам (ГЦК-структура), в отличие от сталей и сплавов с ОЦК - и ГПУ - структурами, свойственна высокая склонность к радиационному распуханию и вакансионному порообразованию;

- впервые показано, что при введении в хромоникелевые аустенитные стали с умеренным содержанием никеля (стали типа 12-23, 15-20, 15-15) 1,6-3,0% титана, и особенно при одновременном микролегировании их иттрием и цирконием, создаются условия значительного ослабления или даже подавления радиационного распухания и вакансионного порообразования;

- впервые показано, что с увеличением содержания титана в аустенитных хромоникелевых сталях и обеспечения при этом развитых процессов предвыделения интерметаллидных фаз типа Ni₃Ti с высокой плотностью их зарождения, достигается как максимум твердения (и упрочнения), так и наибольшая сопротивляемость стали к радиационному распуханию и вакансионному порообразованию. В таком случае интенсивность дисперсионного твердения является показателем принудительной рекомбинации точечных радиационных дефектов и мерой ослабления радиационного распухания и вакансионного порообразования сплавов;

- сформулированы общие черты явления аномальной рекомбинации разноименных радиационных дефектов, влияния на него различных факторов и дана теоретическая оценка величины эффекта снижения распухания в условиях аномальной рекомбинации на примере простой модели распадающегося твердого раствора.

Научная значимость результатов исследований по теме диссертации определяется тем, чем они развивают научные представления о вакансионном порообразовании и радиационном распухании, раскрывают сущность механизмов и закономерностей их протекания, способствуют развитию науки и служат базой для дальнейших исследований в области радиационной повреждаемости конструкционных материалов.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования фундаментальных связей состава и строения материалов на разных уровнях (макро, микро, нано, атомном) с комплексом физико-механических эксплуатационных свойств с целью обеспечения надежности и долговечности материалов и изделий и установление закономерностей физико-химических и физико-механических процессов, происходящих на границах раздела в гетерогенных структурах открывают новые возможности поиска и разработки принципов легирования сталей и сплавов.

Результаты научно-исследовательской работы "Установление явления ослабления ионного распыления в распадающихся твердых растворах" решением Научного совета по проблеме "Радиационная физика твердого тела"от 26 декабря 1986 г. признаны важнейшим достижением за 1986 г. в области радиационной физики твердого тела и зарегистрированы в отделении общей физики и астрономии АН СССР.

Установленное явление аномальной рекомбинации разноименных радиационных дефектов - благодаря формированию неоднородных упругих полей, которые экранируют дислокации и обеспечивают встречу, а затем и рекомбинацию межузельных атомов с вакансиями, указывает на возможность целенаправленного создания радиационностойких конструкционных материалов и управления процессами радиационного дефектообразования в конструкциях атомных энергетических установок.

Практическая значимость. Полученные результаты важны для понимания физических процессов, протекающих в металлах и сплавах под облучением и возможных причин деградации физико-механических свойств материалов изделий активных зон реакторов на быстрых нейтронах и внутрикорпусных устройств реакторов на тепловых нейтронах.

Даны рекомендации по возможности применения в качестве перспективных конструкционных материалов для оболочек тепловыделяющих элементов транспортных и стационарных атомных энергетических установок высоконикелевых сплавов типа 03Х20Н45М4БЧ, 03Х20Н45М4БРЦ и экономнолегированной никелем стали 04X15H15M3T2Ч на основании оценки их сопротивляемости низкотемпературному радиационному охрупчиванию, радиационному распуханию, радиационной ползучести, коррозионным повреждениям в сравнении со сталью 03Х16Н15М3Б.

Кроме того, использование материалов исследования в учебном процессе позволяет готовить специалистов с высшим образованием в соответствии с современными представлениями о физической сущности явлений, происходящих в материалах в условиях производства и эксплуатации. Эти знания позволят им целенаправленно выбирать конструкционные материалы и использовать их на практике.

Основные положения диссертационного исследования опубликованы в научных работах соискателя и обсуждены на 10 научно-практических конференциях и семинарах. В этих работах отражены основные идеи и принципы диссертационного исследования.

Апробация работы. Материалы работы доложены на: Всесоюзном постоянном семинаре "Радиационная повреждаемость и работоспособность конструкционных материалов" в г. Пскове, 1984, 1986, 1993 гг., пос. Полярные Зори 1988 г., г. Белгороде, 1995 г.; Научно-технических семинарах кафедры "Металловедение" Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, 1984-2000 гг.; Объединенной сессии постоянных семинаров по общей проблеме "Роль дефектов в физико-механических свойствах твердых тел" г. Барнаул,1985 г.; Всесоюзном совещании "Радиационные дефекты в металлах и сплавах", г. Алма-Ата, июнь, декабрь 1986 г.; Научно-технических семинарах при Ленинградском доме научно-технической пропаганды (ЛДНТП), 1987, 1989, 1990 гг.; I Всесоюзной конференции "Радиационное воздействие на материалы термоядерных реакторов", г. Ленинград, сентябрь 1990 г.; Международной конференции, г. Харьков, 1990 г; IV Всесоюзном семинаре "Радиационная повреждаемость и работоспособность конструкционных материалов", г. Петрозаводск, октябрь 1990 г.; Научной конференции, г. Санкт-Петербург, апрель 2003 г.; XIV Международном совещании "Радиационная физика твердого тела», г. Севастополь, июнь 2004 г.; Юбилейной научно-технической конференции СЗТУ, г. Санкт-Петербург, 2006 г.; ЙV Международной практической конференции "Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности", г. Санкт-Петербург, октябрь 2007 г.; III Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов, молодых ученых и преподавателей "Актуальные проблемы управления техническими, информационными, социально-экономическими и транспортными системами", г. Санкт-Петербург, ноябрь 2008 г.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 41 печатной работе, в том числе в 5 статьях в научно-технических изданиях, рекомендованных ВАК и 6 авторских свидетельствах СССР.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, основных выводов и списка литературных источников. Общий объем диссертации - 292 страницы, включая 10 таблиц, 62 рисунка и список литературных источников из 218 наименований.

Основное Содержание работы

Во введении описано состояние проблемы, обоснована ее актуальность, определены цели и задачи работы, изложена научная новизна полученных результатов, их практическая и научная значимость, представлены основные положения, выносимые на защиту, указан объем и структура диссертации.

В первой главе "Структурно-физические и конструкторско-технологические аспекты выбора сплавов, их работоспособность и повреждаемость в конструкции атомных энергетических установок" показано, что, несмотря на увеличение объема экспериментов, принятый комплекс исследований недостаточно полно оценивает сопротивляемость изделий разрушению в процессе их эксплуатации.

О пригодности конструкционных материалов к конкретным условиям работы различного оборудования и машин судят по комплексу свойств, полученных при исследовании образцов, а теперь уже и по результатам дополнительного проведения полунатурных и натурных испытаний. Пригодность сталей и сплавов для работы в составе тепловых энергетических установок оценивается по комплексу характеристик, полученных при исследовании ползучести, длительной прочности и пластичности, а также релаксации напряжений в интервале возможных рабочих температур, коррозионной стойкости и жаростойкости в рабочих средах, усталости в условиях циклических нагрузок, теплосмен и контакта с рабочими средами.

Для оценки работоспособности конструкционных материалов основных узлов активной зоны атомных реакторов и конструкций первой стенки и бланкета термоядерных установок требуется еще больший объем эксперимента и проведения стендовых испытаний.

Это обусловлено не только тем, что нейтронное облучение ускоряет процессы ползучести, усиливает временную зависимость длительной прочности, резко снижает кратковременную и длительную пластичность в широком интервале температур, повышает критическую температуру вязко-хрупкого перехода, снижает коррозионную стойкость, вызывает распухание и вакансионное порообразование, но и тем, что в результате протекания (n, )- и (n, р) - реакций возникают трансмутантные элементы (например, газообразные и легкоплавкие примеси), способствующие проявлению гелиевого и водородного охрупчивания, газового распухания и др.

Исследования разрушенных изделий показывают, что в тепловой и ядерной энергетике большинство повреждений не сопровождалось пластической деформацией.

В ряде случаев на работоспособности конструкций и машин весьма отрицательно сказываются отступления от технологических процессов в производстве полуфабрикатов при металлургическом переделе, в процессе сварки, при гибке и раздаче труб и других операциях.

Отечественный и зарубежный опыт эксплуатации показывает, что наличие преждевременных разрушений в значительной мере нужно связывать с тем, что уже в процессе конструирования и изготовления произошла "деградация" гарантированных свойств металла в конструкции.

Весьма существенно сказывается на работоспособности изделий и отступление от расчетных условий эксплуатации (перегревы металла, нарушение водного режима и т.д.). Таким образом, в реальных условиях эксплуатации сопротивляемость разрушению узлов и конструкций может резко понижаться, несмотря на "оптимальные" запасы прочности, принятые при конструировании.

Следует указать на то, что иногда допускаются и просчеты в выборе конструкционного материала для конкретных условий эксплуатации. В таком случае работоспособность конкретного материала в конструкции и его долговечность будут определяться не только его механическими свойствами, заложенными в расчете, но и особенностями конструкции, качеством изготовления и надлежащими условиями эксплуатации.

Рассмотрено влияние на работоспособность конструкционных материалов таких важных структурно-физических факторов, как равномерность распада твердых растворов и объемная дилатация на границе раздела "формирующаяся вторичная фаза-матрица".

Равномерность распада твердого раствора приводит к созданию в матрице относительно правильного чередования частиц карбидов или интерметаллидов, т.е. к образованию типа макрорешетки из этих фаз. При таком распаде, в отличие от неоднородного, избирательного, твердый раствор в процессе температурно-временных циклов под нагрузкой (жаропрочные материалы, теплостойкость инструмента и т.д.) все время остается относительно изотропным и обеспечивает возможность равномерности протекания пластической деформации.

Одновременно с этим обеднение твердого раствора легирующими элементами (разупрочнение его) облегчает работу границ зерен в условиях ползучести, так как появляется возможность реализации течения внутри них. Это замедляет развитие межзеренных повреждений во времени и обеспечивает более высокую остаточную пластичность при разрушении.

Равномерность распределения первичных фаз и высокая однородность и плотность зарождения вторичных карбидных, интерметаллидных и других фаз являются необходимым, но не единственным условием, обеспечивающим ослабление повреждаемости конструкционных материалов.

Выполнение требований по обоснованному выбору конструкционных материалов, оптимальному проектированию и конструированию, строгому соблюдению технологических процессов изготовления полуфабрикатов и изделий из них и соблюдение регламента эксплуатации приведет к тому, что явление "деградации свойств металла в конструкции" потеряет свой смысл.

Во второй главе "Радиационная повреждаемость конструкционных материалов и структурно-принудительная рекомбинация" рассмотрены обобщенные литературные данные по радиационному воздействию на конструкционные материалы потока быстрых нейтронов.

В процессе разработки материалов для реакторов деления, работающих на тепловых нейтронах при умеренных температурах, и оценки их работоспособности учитывали опыт создания корпусных сталей. Основное внимание при этом уделяли вопросам вязкости и пластичности сталей и температурным условиям их вязко-хрупкого перехода.

При рекомендации материалов для реакторов, работающих на быстрых нейтронах при высоких температурах, исходят преимущественно из опыта создания сталей и сплавов для авиационных двигателей и энергетических установок тепловых электростанций. Такой подход в основном оказался правильным, хотя имелись и просчеты. В меньшей мере они обнаружились в тепловых реакторах.

Интенсивность потока быстрых нейтронов в реакторах - размножителях может достигать 110¹⁶ нейтр/(см²·с), что примерно на три порядка выше, чем в тепловых реакторах. Высокие значения нейтронных потоков и флюенса в быстрых реакторах создают для реакторного материаловедения новые, чрезвычайно сложные проблемы - высокотемпературное охрупчивание, радиационное распухание, радиационную ползучесть и др.

Несмотря на то, что при разработке термоядерных реакторов может быть широко использован опыт работы с ядерными реакторами, проблема выбора материалов стоит еще более остро. Это обусловлено, прежде всего, особенностями процесса передачи энергии ядерных реакций.

Отмеченные особенности позволяют конструктору реактора деления ориентироваться в подборе материалов соответственно их назначению. В реакциях же термоядерного синтеза около 80% энергии уносится высокоэнергетическими (~14,1 МэВ) нейтронами. Поэтому объемные повреждения материалов при том же интегральном потоке нейтронов будут более значительными. Кроме того, под действием нейтронов с энергией 14,1 МэВ в материалах будут возникать "энергичные" первично выбитые атомы, а, следовательно, будут появляться большие количества смещенных атомов, и возникать большие повреждения, чем в реакторах на быстрых нейтронах. Сечения (п, )- и (п, p)-реакций для нейтронов таких энергий существенно больше, чем для нейтронов реакторного спектра энергии. Образующиеся при этих реакциях гелий и водород будут усугублять вредное влияние нейтронного облучения на материалы.

Значительная часть энергии реакции синтеза (~20%) выделяется -частицами (энергия частиц ~3,5 МэВ), ионами изотопов водорода, атомами и молекулами этих газов, а также электромагнитным излучением различной энергии в обращенных к плазме поверхностных слоях первой стенки реактора. Это приводит к интенсивной эрозии поверхности, называемой "шелушением", обусловленной образованием и разрушением приповерхностных газовых пузырей, а также катодным распылением, протеканием химических реакций и т.п.

Конструкционные материалы основных узлов реакторов на быстрых нейтронах и термоядерных реакторов работают в весьма сложных условиях. Изменение физико-механических и других свойств конструкционных материалов в процессе облучения в значительной мере определяется характером взаимодействия дислокационной структуры со сложными комплексами радиационных дефектов. Процессы образования и коалесценции радиационных дефектов, а также процессы их аннигиляции значительно зависят не только от условий облучения, но и от структурного состояния материала на различных этапах распада твердого раствора при температурно-временных и температурно-деформационных циклах. Поэтому для выявления общих закономерностей изменения физико-механических свойств, для прогнозирования поведения материалов в составе конструкций ядерных энергетических установок и разработки способов ослабления радиационной повреждаемости необходимо, прежде всего, глубокое изучение процессов возникновения и эволюции дефектной структуры кристаллических тел при облучении с учетом особенностей легирования и распада твердых растворов.

Бомбардирующие нейтроны (или ионы) достаточно высокой энергии создают в металле вакансии и межузельные атомы в одинаковом количестве. Будучи термически подвижными, при определенных температурах оба точечных дефекта мигрируют в металле, погибая в результате взаимной рекомбинации, а также на различных его стоках. При этом одновременный рост вакансионных пор и дислокационных петель из межузельных атомов возможен лишь при условии существования механизма разделения этих дефектов.

Основной причиной разделения дефектов является асимметрия поглощения точечных дефектов дислокациями. Дальнодействующее упругое поле вокруг дислокаций взаимодействует с межузельными атомами сильнее, чем с вакансиями. Вследствие этого в облученном металле диффузионный поток межузельных атомов на дислокации и петли больше, чем поток вакансий, что ведет к появлению избыточного потока вакансий на поры.

Наличие атомов гелия, возникающих в процессе ядерных реакций при облучении, также стимулирует процесс образования пор, поскольку атомы гелия являются эффективными ловушками вакансий и сильно конкурируют с другими их стоками. Наблюдаемое снижение концентрации пор с повышением температуры облучения объясняется в теории гомогенного зарождения так: с повышением температуры увеличиваются подвижность точечных дефектов и их равновесные концентрации, вследствие чего снижается пересыщение металла вакансиями и межузельными атомами.

При бомбардировке вещества заряженными ионами (осколками деления), в отличие от более легких частиц (нейтронов), могут возникать следы - треки. Кроме пар Френкеля, они могут создавать сильно локализованные зоны смещения или тепловые пики, в окрестностях которых увеличивается степень разупорядочения в расположении атомов, и образуются значительно большие концентрации повреждений по сравнению с обычным их возникновением в результате смещения атомов.

Второй эффект, т. е. ядерные реакции, начинает проявляться в изменении свойств конструкционных материалов при облучении флюенсом нейтронов уже выше ~10¹⁸ нейтр/см². Главную роль при этом играют ядерные реакции типа (п, ), (п, р) и другие, в результате которых образуются газовые примесные атомы, не только вызывающие отрицательное изменение свойств, но и заметно влияющие на формирование радиационных дефектов. Особенно неблагоприятно воздействие примесного гелия.

С увеличением энергии бомбардирующих частиц ядерные реакции интенсифицируются. Поэтому в реакторах на быстрых нейтронах и в термоядерных установках возрастает роль трансмутантов и общего изменения химического состава материалов в формировании радиационного повреждения.

Проведенные исследования показывают, что упрочнение аустенитных хромоникелевых дисперсионно-упрочняемых сталей и сплавов при тепловом воздействии в отсутствие облучения происходит задолго до появления обособленных фаз типа Ni₃Ti, т.е. изменение механических свойств определяется структурными превращениями на ранних стадиях формирования избыточной фазы, протекающих в инкубационном периоде распада. В условиях нейтронного облучения ускоряются зарождение и обособление избыточных вторичных фаз. В связи с этим процессы образования и развития радиационных дефектов в значительной мере определяются и структурным состоянием материала на различных этапах распада твердого раствора.

Деформационные поля, обусловленные объемной дилатацией на границе раздела "предвыделение вторичной фазы - матрица", порождая напряжения растяжения или сжатия, определяюще влияют не только на процессы миграции точечных дефектов и легирующих (примесных) элементов, но и на аннигиляцию путем рекомбинации разноименных радиационных дефектов, уменьшая "время жизни" устойчивых френкелевских пар.

Различные схемы нагружения, а также деформационные поля, порожденные структурными напряжениями, оказывают существенное влияние и на размер зоны спонтанной рекомбинации полярных точечных дефектов.

Описанные простые и сложные дефекты радиационного происхождения ускоряют диффузионные процессы, способствуют их протеканию при более низких температурах, интенсифицируя распад твердых растворов с образованием карбидных, интерметаллидных и других избыточных фаз. Это дало основание ожидать стимулирования структурно-фазовых превращений при облучении сплавов. Радиационная повреждаемость более значительна и оказывает большее влияние на диффузию сплавов, чем предполагается. В таком случае будет большим влияние радиационного облучения на температурно-временные факторы, определяющие работоспособность изделий.

Отметим основные процессы, происходящие при диффузии.

1. Диффузия происходит в направлении падения концентрации вещества и ведет к ее выравниванию по объему, т.е. к выравниванию химического потенциала.

2. Коэффициент диффузии весьма чувствителен к дефектам кристаллического строения, наличию напряжений, стадиям распада твердого раствора и другим факторам, влияющим на качественные и количественные стороны дефектности и структурных превращений.

3. В условиях равновесия каждой температуре соответствует определенная (равновесная) концентрация вакансий.

4. Быстрое охлаждение от высокой температуры обычно используется для сохранения большого количества вакансий, которое почти соответствует тепловому равновесию при этой температуре. Это указывает на частичную аннигиляцию вакансий, определяемую скоростью охлаждения.

5. В отличие от теплового (закалка с высоких температур) и механического (пластическая деформация) воздействий при облучении твердых тел высокоэнергетическими частицами (ионы, нейтроны и др.) в каждый момент времени образуется практически одинаковое надравновесное количество межузельных атомов и вакансий.

Однако рекомбинировать в момент облучения способны только неустойчивые пары Френкеля, т.е. те, которые находятся на довольно малых расстояниях одна от другой (несколько периодов решетки), в так называемой зоне неустойчивости (или спонтанной рекомбинации). В этом случае за время 10^-11-10^-12 с межузельный атом вернется в свободный узел кристаллической решетки, и вакансия перестанет существовать. В процессе облучения возникают и устойчивые пары Френкеля, хотя концентрация их на два и более порядка меньше неустойчивых. Несмотря на отмеченное, этих относительно устойчивых пар разноименных радиационных точечных дефектов оказывается достаточно, чтобы вызвать при определенных температурно-временных условиях значительное увеличение объема твердых тел, так называемое радиационное распухание (и другие неблагоприятные последствия).

6. В условиях облучения и вакансия, и межузельный атом обладают относительно высокой подвижностью даже при комнатной температуре. Вследствие более сильного взаимодействия межузельных атомов с другими структурными дефектами они быстрее уходят на стоки, чем вакансии. Оставшиеся вакансии ускоряют диффузионные процессы в облучаемых твердых телах.

7. Известно из эксперимента, что коэффициент диффузии по дислокациям значительно превосходит коэффициент объемной диффузии в кристаллах.

В условиях нейтронного (и ионного) облучения диффузия ускоряется еще и потому, что увеличивается плотность дислокаций.

8. Радиационные дефекты, изменяя термодинамические или кинетические условия процесса выделения, способствуют распаду пересыщенных твердых растворов. Тем не менее, однозначно трактовать влияние внесенных облучением дефектов как ускоряющее процессы выделения невозможно, так как процесс распада состоит из многих стадий (особенно в дисперсионно-твердеющих сталях и сплавах), на протекание которых структурные дефекты влияют неодинаково.

9. Обобщение и анализ экспериментальных данных позволяют утверждать, что структурные превращения в сталях и сплавах, как обычно указывается, не только усиливаются или индуцируются радиацией, но радиационно-стимулированная диффузия и радиационно-стимулированные и индуцированные распады растворов весьма интенсивно развиваются в указанных материалах и протекают даже при значительно более низких температурах.

По сравнению с материалами традиционных энергетических установок конструкционные материалы атомных энергетических установок работают в более сложных условиях, так как нейтронное облучение ускоряет процессы ползучести, усиливает временную зависимость прочности, резко снижает кратковременную и длительную пластичность при умеренных (20-450°С), высоких (500-800°С) и особенно сверхвысоких (выше 800°С) температурах, повышает критическую температуру перехода из хрупкого в вязкое состояние (для ОЦК - и ГПУ - металлов), снижает коррозионную стойкость, а также при накоплении определенной дозы нейтронов вызывает порообразование и радиационное распухание.

В третьей главе "Материалы и методики исследования" приводятся химический состав, режимы термической обработки и параметры облучения исследуемых сталей и сплавов. Приводятся описания методик исследования сталей и сплавов, рассмотренных в настоящей работе: механических испытаний, металлографических исследований, электронно-микроскопических исследований, фазового физико-химического и рентгеноструктурного анализа, методов оценки распухания, моделирования радиационного распухания.

В четвертой главе "Некоторые сведения о роли структуры в процессах радиационного распухания сталей и сплавов. Природа высокой сопротивляемости радиационному распуханию высоконикелевых аустенитных сплавов" приведены зависимости распухания металлических материалов при облучении нейтронами и ионами от температуры и флюенса. Рассмотрено влияние химического состава и структуры на распухание металлов и сплавов.

Особо рассмотрено влияние никеля в аустенитных хромоникелевых сплавах на склонность их к радиационному распуханию. На рис.1 приведены данные по влиянию содержания никеля на радиационное распухание различных зарубежных аустенитных хромоникелевых сталей и сплавов. Совместно с ФГУП ЦНИИ КМ "Прометей", ХФТИ и ФЭИ было проведено систематическое изучение влияния переменного содержания никеля на радиационное распухание аустенитных хромоникелевых сталей и сплавов при ионном облучении.

Рис. 1. Влияние содержания никеля на радиационное распухание различных зарубежных аустенитных хромони-келевых сталей и сплавов Тобл = 625 С, доза 140 смещ./атом (23 1023 нейтр/см²), Ni⁺, E = 5 МэВ

Этими исследованиями было подтверждено, что аустенитные хромо-никелевые стали и сплавы, содержащие 35-60% Ni, обладают высоким сопротивлением радиационному распуханию (V/V не более 2%) при дозе вызывающей повреждение до 80 смещ./атом (рис.2).

При больших и меньших содержаниях никеля распухание этих материалов увеличивается. Так, при содержании никеля 10-15% (стали марок Х18Н9, Х16Н11М3, Х16Н15М3Б) ДV/V ? 15ч20%, а распухание чистого никеля ~12%. Установлено, что сплавы марок ЧС-42П (03Х20Н45М4БЧ) и ЧС-43П (03Х20Н45М4БРЦ), а также дисперсионно-твердеющая сталь марки ЭП-150 (Х15Н35М2БТЮР) обладают весьма высоким сопротивлением распуханию (V/V 1,2% при дозах, вызывающих повреждение 150 смещ./атом; 3 · 10¹⁷ ион/см², ~3 · 10²³ нейтр/см²).

В предыдущих разделах показано определяющее влияние структурных превращений и особенностей распада твердых растворов в аустенитных нержавеющих и жаропрочных хромоникелевых сталях и сплавах разных композиций на различные механические и физические свойства.

Рис. 2. Влияние содержания никеля на радиационное распухание различных отечественных аустенитных хромо-никелевых сталей и сплавов при облучении ионами аргона, хрома, никеля

Установление механизма и кинетики этих процессов дали возможность разработать принципы легирования и создать высоконикелевые радиационно- стойкие сплавы типа Х20Н45М4Б с высокой деформационной способностью в условиях нейтронного облучения и малой склонностью к вакансионному порообразованию.

На основе изучения тонких особенностей структурных превращений делается вывод о единой природе высокого сопротивления радиационному распуханию высоконикелевых как дисперсионно-упрочняемых, так сталей и сплавов с твердорастворным упрочнением, заключающейся в следующем. Концентрационное и размерное несоответствия, возникающие в инкубационном периоде распада пересыщенных высоконикелевых твердых растворов, обусловливают появление упругоискаженных (растянутых и сжатых) областей в матрице. Из известных представлений следует, что дислоцированные атомы, возникающие в процессе облучения, должны преимущественно мигрировать в растянутые области предвыделений, а вакансии - в сжатые.

В описанных условиях структурных превращений в инкубационном периоде распада, сопровождающихся значительными по знаку объемными изменениями, маловероятно, что дислоцированные атомы и вакансии будут преимущественно закреплены соответственно в растянутых и сжатых областях предвыделений формирующей фазы. Имеется основание полагать, что эти локализованные области с концентрационным и размерным несоответствиями являются предпочтительными местами для встречи и последующей аннигиляции близких пар полярных дефектов. Таким образом, рассмотренные сплавы типов Х20Н45М4Б и Х15Н35М2БТЮР в процессе распада твердых растворов в инкубационном периоде приобретают повышенную способность к аннигиляции путем рекомбинации точечных радиационных дефектов. Предварительное старение этих сплавов длительностью 100 ч (рис. 3) и 10000 ч (рис. 3, 4) перед облучением на ускорителях не только не привело к увеличению распухания, но даже снизило его.

При нейтронном облучении в температурно-временной области развитого распада даже имело место не распухание, а увеличение плотности (см. рис. 3, 4).

Исследованиями установлено наличие волнообразного распада твердого раствора в изучаемых материалах. Это означает, что с течением времени появляются все новые и новые сегрегаты и другие последующие промежуточные состояния формирующихся избыточных фаз. Температурно-временная область развитого распада характеризуется С-образными кривыми ИК на рис. 3 и 4.

Рис. 3. Диаграмма структурных превращений и рас-пухание дисперсионно - твердеющей стали марки ЭП-150 (Х15Н35М2БТЮР) в различном структурном состоянии при нейтронном и ионном облучении:

АБ - начало появления сегрегатов; ВГ - начало обособления г? - фазы Ni₃(Ti, Nb, Al);

ДЕ - начало выделения фазы Лавеса Fe₂Mo;

ЖЗ - начало образования когерентной г'-фазы Ni₃(Ni, Nb, Al);

ИК - температурно-временная область (правее кривой развитого распада твердого раствора;

? - 50 смещ/атом, Ar⁺;

^ - 80 смещ/атом, Ar⁺;

_ - 10²² нейтр/см² (~5 смещ./атом);

Д - 3,3 10²² нейтр/см² (~17 смещ./атом);

¦? - 7,7 10²² нейтр/см² (~40 смещ./атом) (цифры у точек распухание, %)

Кроме изложенного выше, равномерный распад твердого раствора должен привести и к однородному распределению комплексов точечных дефектов. Это также будет способствовать ослаблению вакансионного распухания.

Рис. 4. Диаграмма структурных превращений и распухание сплавов типа 03Х20Н45М4Б (сплавы ЧС-42П и ЧС-43П) в различных состояниях при нейтронном и ионном облучении (¦ - 150 смещ./атом, Ar⁺; остальные обозначения те же, что и на рис. 3)

По-видимому, с последним связано уменьшение распухания в том случае, когда в облучаемом материале наблюдается образование пространственной сверхрешетки пор. Если процесс аннигиляции точечных дефектов и исчерпает себя во времени, то преимущество сплавов с описанным распадом твердого раствора будет в том, что накопление опасного числа радиационных дефектов значительно отодвигается во времени.

Одной из отличительных особенностей распада высоконикелевых твердых растворов, как уже отмечалось, является развитый инкубационный период, т.е. скрытый распад (от зарождения сегрегатов - начало распада - до обособления равновесной фазы) значительно растянут во времени (температурно-временные области между кривыми АБ и ВГ - см. рис.3,4).

С учетом изложенных концепций по подавлению или значительному ослаблению развития радиационного распухания в высоконикелевых сплавах рассмотрены и другие основные механизмы влияния легирующих элементов и изменения структуры на развитие вакансионной пористости в хромоникелевых аустенитных конструкционных материалах.

Механизм задержки точечных радиационных дефектов примесными легирующими элементами. В основе этого механизма лежит предположение о положительной энергии связи между радиационными дефектами и атомами легирующих элементов матрицы. При этом атомы с малым радиусом (Si, Be, В) преимущественно связываются межузельными атомами, а атомы большого радиуса (Al, Ti, Mo, W) с вакансиями Отмечено, что для заметного подавления распухания достаточно иметь всего лишь 10^-3-10^-2% атомов малого радиуса, тогда как атомов большого диаметра необходимо иметь в твердом растворе > 1%. Считается, что ослабление распухания обусловливается задержкой миграции точечных радиационных дефектов, вследствие чего предотвращается уход вакансий и межузельных атомов на стоки (на поры и дислокационные петли соответственно) и тем самым увеличивается вероятность их рекомбинации.

Механизм захвата точечных радиационных дефектов когерентными поверхностями раздела. В основе этого механизма лежит искажение когерентной границы раздела «выделившаяся фаза - матрица». Усиление рекомбинации обеспечивается благодаря предотвращению ухода точечных дефектов на стоки.

Механизм различной диффузионной подвижности компонентов сплава. В разработанной модели предполагается, что атомы быстро диффундирующего компонента снижают пересыщение вакансий (движущую силу процесса распухания), а медленно диффундирующие атомы замедляют зарождение и рост вакансионных пор.

Другие механизмы ослабления распухания. Как уже упоминалось выше, на подавление распухания оказывает значительное влияние предварительная холодная деформация, в результате которой создается высокая плотность дислокаций. Дислокации являются эффективными стоками для вакансий и межузельных атомов.

Сравнительные данные по сопротивляемости радиационному распуханию различных сталей и сплавов с ГЦК-, ОЦК- и ГПУ- решетками представлены на рис.5. Радиационное распухание высоконикелевых сплавов (а также и сталей с ГПУ - и ОЦК - решетками) не превышает 1,5%, в то время как стали типов 18-8, 15-15 при сравниваемых условиях эксперимента увеличивают свой объем на 16-20%.

Рис. 5. Сопротивляемость радиационному распуханию различных сталей и сплавов с ГПУ-, ОЦК- и ГЦК-решет-ками: а - б-сплавы титана, условные номера 1, 2, 3:

_ - сплав 1,80 смещ./атом (~1,5·10²³ нейтр/см²), Ar⁺, Е = 2 МэВ;

Д - сплавы 2, 3, 80 смещ./атом (~1,5·10²³ нейтр/см²), Сr³⁺, Е = 3,8 МэВ;

б - ферритная сталь марки ЭП-932 (01Х13МЧ):

? - Сr³⁺, 80 смещ./атом (~1,5·10²³ нейтр/см²), Е = 4,25 МэВ;

_ - Ar⁺, 80 смещ./атом, Е = 2 МэВ; в - сталь 08Х18Н9, 50 смещ./атом (~10²³ нейтр/см²), Ar⁺, Е = 100 КэВ;

г - сталь 09Х16Н11М3, 50 смещ./атом (~10²³ нейтр/см²), Ar⁺, Е = 100 КэВ;

д - сталь Х16Н15М3Б, 115 смещ./атом (~2·10²³ нейтр/см²), Сr³⁺, Е = 4,25 МэВ;

е - высоконикелевые сплавы марок ЧС-42П и ЧС-43П:

Д - ЧС-42П, 50 смещ./атом (~10²³ нейтр/см²), Ar⁺, Е = 100 КэВ;

? -ЧС-43П, 150 смещ./атом (~3·10²³ нейтр/см²), Ar⁺, Е = 2 МэВ;

ж - дисперсионно-упрочняемая сталь марки ЭП-150, 50 смещ./атом (10²³ нейтр/см²), Ar⁺, Е = 100 КэВ

В пятой главе "О некоторых аномалиях в проблеме упрочнения и микролегирования аустенитных коррозионностойких сталей и сплавов для ядерных энергетических установок" рассмотрены температурно-временные закономерности твердения и особенности диаграмм структурных превращений.

На рис. 6 приведена диаграмма структурных превращений аустенитной дисперсионно-твердеющей стали 04Х15Н35М2БТЮР нашедшей широкое применение в ядерной энергетике.

Рис. 6. Диаграмма структурных превращений дисперсионно-твердеющей стали 04Х15Н35М2ТЮР: I- обособление и коагуляция '-фазы; II - инкубационный период формирования '-фазы (от зарождения сегрегатов до начала обособления '-фазы; III дораспадный период

микролегирование редкоземельный облученный конструкционный

Линия АБ, характеризует начало обособления '-фазы Ni₃(Ti, Al, Nb). Начало образования когерентного состояния '-фазы приблизительно характеризуется линией ДЕ. В этом случае в анодном осадке, обнаруживаются не только элементы, формирующие избыточную '-фазу, но и, как в сплаве нимоник, заметное количество железа и хрома, входящих в состав сопряженной с ней аустенитной матрицы. На этих же стадиях распада в фазовом осадке наблюдается избыточное количество никеля по сравнению с тем его содержанием, которое необходимо для формирования фазы типа Ni₃Ti. Выделить когерентную фазу Ni₃Ti без сопутствующих элементов, формирующих границу раздела, оказалось невозможным. Кривая ВГ, соответствующая наиболее раннему температурно-временному интервалу старения, характеризует начало распада пересыщенного твердого раствора. За начало распада принято образование сегрегатов, т.е. таких областей матрицы, в которых концентрация основных легирующих элементов, формирующих избыточную фазу, более высокая, чем во флуктуациях твердого раствора.

Температурно-временной интервал между кривыми АБ и ВГ следует рассматривать как область предвыделения '-фазы, в которой протекает инкубационный период распада - от образования сегрегатов до выделения '-фазы. Область левее кривой ВГ следует принять за дораспадную, так как для нее характерны ничтожно малые скорости диффузии основных легирующих элементов, препятствующие образованию концентрационных неоднородностей (сегрегатов) за короткое время. Фазовый состав этой области характеризуется метастабильным аустенитом и первичными карбидами и карбонитридами титана и ниобия.

...