Особливості пластичної деформації опромінених матеріалів з різним типом кристалічної структури

На прикладі внутрішньокорпусних пристроїв реакторів типу ВВЕР (інтервал параметрів експлуатації яких позначений заштрихованим прямокутником) показана принципова можливість прогнозування поведінки реакторних конструкційних матеріалів протягом тривалого часу експлуатації в реакторі. Розрахунки показують, що деформація сталі 08Х18Н10Т в холодно-деформованому стані за 30...40 років експлуатації (опромінення) може скласти ~ 2...2,5%, і в цьому випадку не можна гарантувати, що ця сталь не зруйнується за час, що відповідає ресурсу експлуатації.

У роботі вперше висунута концепція про вплив радіаційних дефектів на енергію дефекту упакування (ЕДУ). На підставі проведених досліджень, що ґрунтуються на уявленнях про зв'язок енергії дефектів упакування з поперечним ковзанням, щільністю двійників деформаційного походження, величиною зернограничного піка внутрішнього тертя, а також прямих експериментах з виміру ширини розщеплення зернограничних дислокацій на матеріалах, опромінених при температурах, які не перевищують 0,2 Тпл., був зроблений висновок, що опромінення приводить до зменшення енергії дефектів упакування.

Показано, що в загальному випадку опромінення може впливати комплексним чином на величину енергії дефекту упакування і приводити як до збільшення ЕДУ за рахунок збіднення атомами домішок твердого розчину, так і до зниження енергії дефекту упакування в опромінених матеріалах за рахунок зміни локальної електронної щільності матеріалів в областях радіаційних дефектів.

У свою чергу, зниження енергії дефекту упакування може розглядатися як механізм, що обумовлює підвищену схильність до локалізації пластичної деформації в опромінених матеріалах, що деформуються.

Отримані результати дозволяють з нових позицій пояснити виникнення ефектів пластичної нестабільності в опромінених матеріалах. Якщо до цього вважалося, що ефекти радіаційного зміцнення, крихкості, повзучості зв'язані із впливом радіаційних дефектів на пластичну течію матеріалу (рух дислокацій), то тепер робиться твердження про те, що треба брати до уваги і ефекти зміни в результаті опромінення властивостей решіткових та зерномежевих дислокацій.

У сьомому розділі "Синергетична концепція радіаційної крихкості" опромінений матеріал, що деформується, розглядається як відкрита дисипативна система, що підкоряється законам синергетики, а пластична деформація - як процес, еволюція якого на мікро-, мезо-, та макроструктурних рівнях визначається законами самоорганізації, які властиві цим системам.

Вивчено вплив опромінення на ієрархію структурних рівнів пластичної деформації і нестабільності. Показано, що роль опромінення полягає передусім у тому, що воно, утруднюючи мікропластичну нестабільність і, приводячи до посилення макропластичної нестабільності, прискореним чином (за деформацією) втягує в пластичну течію більш високий структурний рівень пластичної деформації (нестабільності), що приводить до передчасного руйнування матеріалу.

У дисертації розвинуті фізичні моделі радіаційної крихкості на основі опису ефектів локалізації деформації в опромінених матеріалах. Запропоновано класифікацію цих ефектів шляхом їхнього поділу на стаціонарні дисипативні структури (дислокаційне каналювання) і фронти локалізації, що рухаються, (деформація Чернова-Людерса та релаксаційні хвилі Данилова-Зуєва).

Розглянуто розвиток процесів пластичної нестабільності в опроміненому матеріалі, що деформується, з урахуванням залежності функцій розподілу дислокацій в ансамблі за швидкостями. Показано, що в матеріалах може спостерігатися ефект різкого зростання числа дислокацій, що переборюють перешкоди в динамічному режимі. При цьому зі збільшенням ступеня зміцнення (дози опромінення) даний ефект може досягатися при більш низьких швидкостях деформації.

На підставі опису колективних дислокаційних процесів отримано теоретичне підтвердження експериментально встановленого й описаного у дисертації факту збільшення просторового масштабу структурних рівнів процесу пластичної деформації.

Запропоновано теоретичний опис ефектів впливу опромінення на пластичну нестабільність типу Чернова - Людерса. У звичайному вигляді еволюційне рівняння, що описує динаміку дислокаційного ансамблю, можна записати так

Воно є наслідком законів збереження вектора Бюргерса системи дислокацій у кристалі і являє собою рівняння балансу для густини дислокацій, що рухаються. З урахуванням процесів так званої “дифузії” дислокацій, наприклад, подвійним поперечним ковзанням, це рівняння приймає вигляд

, (1)

де - вектор швидкості ковзання дислокацій, D - коефіцієнт “дифузії” дислокацій, - інтеграл зіткнень, який можна представити у вигляді , де k1 характеризує джерело дислокацій, k2 відповідальний за взаємодію дислокацій, зокрема, за процеси їхньої анігіляції.

Рішення рівняння будемо шукати у вигляді:

, (2)

де - флуктуація густини дислокацій біля середньої стаціонарної густини дислокацій.

Для флуктуації густини дислокацій рівняння еволюції дислокаційного ансамблю можна привести до відомого рівняння Бюргерса:

,

де , m - рухливість дислокацій у формулі V = m·f , де f - сила, що діє на дислокацію, К0 - константа задачі.

У цьому рівнянні зростання під опроміненням внутрішніх напружень враховується за допомогою нелінійного члена типу . У результаті рішення рівняння отримана залежність густини дислокацій r(x,t) у вигляді сходинки, висота якої залежить від дози опромінення. Зростання висоти сходинки в результаті опромінення відповідає експериментальним даним збільшення ступеня локалізації деформації в смугах ковзання в опромінених матеріалах.

Вивчено розвиток процесів макроскопічної локалізації пластичної течеї на етапі розвитої пластичної деформації. Запропоновано теоретичний опис, так званих, "релаксаційних хвиль" Данилова - Зуєва. Термін "релаксаційні хвилі" був уведений з урахуванням того, що процес пластичної деформації можна представити у вигляді поширення фронту хвилі активізації концентраторів напружень, а в основі такого підходу лежить елементарний акт релаксації напружень. Експериментально виявлено, що на етапах розвитої пластичної деформації в одному з максимумів хвиль може зароджуватися "шийка", що приводить до руйнування матеріалу.

У найбільш повному вигляді, що враховує розподіл дислокацій усередині ансамблів, вираз для швидкостей і кореляційних сил, що діють між дислокаціями (пов'язаних з релаксацією дислокаційних зарядів, що викликані надлишковою густиною дислокації (r+ - r- > 0)) можна представити в такому вигляді:

,, (3)

,,

де - оператор набла, - лапласіан, - середня стаціонарна густина дислокацій, G - модуль зсуву, b - величина вектора Бюргерса, L - середня довжина релаксації дислокаційного ансамблю, sext - зовнішнє прикладене напруження.

Якщо знову шукати рішення рівняння (1) для r(x,t) у вигляді (2), то з урахуванням рівняння (3) можна одержати

, (4)

де введені позначення для коефіцієнтів:

, ,

Якщо рішення рівняння шукати у вигляді гармонічної моди

і зробити для пошуку чисельного рішення у рівнянні (4) заміну змінних

, , ,,

де - величина внутрішніх напружень у матеріалі, то в результаті отримаємо рівняння:

(5)

де , .

Проведені чисельні оцінки коефіцієнтів , показали, що вони не перевищують величин, відповідно 10-8 та 3·10-10.

На підставі цієї проведеної вперше чисельної оцінки інтеграла зіткнень рівняння (5) може бути записане у вигляді:

(6)

що є узагальненням відомого рівняння Курамото - Сивашинського.

Для рівняння (6) чисельно вирішувалася задача Коші з різними початковими умовами для безрозмірної функції . У початковий момент часу (t = 0) задавалися значення одного рівня з випадковим розподілом по x на відрізку [0;30]. На рис.8 крива I відповідає рівню , криві II і III - рівням і , відповідно.

Криві I, II і III, показують, як відбувається еволюція випадково розподіленої по довжині зразка в початковий момент часу густини дислокацій. Видно, що в зразку через деякий проміжок часу (у даному випадку = 7,3 с) формуються просторово неоднорідні квазіперіодичні дислокаційні структури. Рівень початкової густини якісно відповідає різним рівням дози опромінення матеріалу. Як можна побачити з рис.8, зі збільшенням дози опромінення локалізовані дислокаційні структури формуються швидше і стають більш рельєфними. Це відповідає результатам, що зв'язують, по-перше, радіаційну крихкість зі збільшенням просторового масштабу структурного рівня пластичної деформації, по-друге, з вирішальним внеском у радіаційну крихкість еволюції дальнодіючих полів внутрішніх напружень і, по-третє, із затрудненням "точкової" кінетики, пов'язаної в даному розгляді із зануленням інтеграла зіткнень (J(r) = 0), тобто із затрудненням дислокаційних механізмів деформації (релаксації напруг), що проходять на мікроструктурному рівні.

Чисельні розрахунки (проведені за тією ж схемою) показали, що, починаючи зі значень інтеграла зіткнень 10-3 відн. од. з начально-існуючого дислокаційного хаосу, що задається, ефекти макропластичної неоднорідності, локалізації пластичної деформації вже не розвиваються, і "шийка" прискореним чином не утвориться.

Експериментальна перевірка ролі "точкової" кінетики (мікрорівня пластичної деформації) у радіаційній крихкості була проведена на прикладі малолегованого хрому. Частина зразків після опромінення була деформована вигином на кут 30...40 градусів, у результаті чого в них утворювалися "свіжі" дислокації, а пластичність після механічних випробувань вже стала відмінною від нуля (пряма 3). Як свідчать ці результати, підключення мікроструктурного рівня пластичної деформації призводить до істотного зниження крихкості матеріалу.

Таким чином, розуміння законів синергетики, використання концепції структурних рівнів при вивченні процесів радіаційної крихкості матеріалів дає нам не тільки напрямок досліджень, але і вказує шлях рішення конкретних задач по зниженню радіаційної крихкості матеріалів.

У висновках сформульовані основні результати роботи:

У результаті проведеного комплексу досліджень, що відносяться до радіаційної фізики твердого тіла, у дисертації вирішена проблема - встановлені 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.

1. У роботі вперше в широкому інтервалі температур механічних випробувань і доз опромінення проведене систематичне дослідження зв'язку ефектів радіаційної пошкоджуваності з типом кристалічних ґраток, параметрами опромінення та механічних випробувань, вихідною структурою матеріалів.

В інтервалі температур механічних випробувань 293…1173 К вивчений вплив опромінення на деформаційне зміцнення нікелю електронно-променевого очищення, малолегованого хрому, аустенітних нержавіючих сталей. Показано, що в інтервалі температур НТРК на початкових етапах пластичної деформації (e Ј 1%) у матеріалах, що мають у вихідному стані "гладку" криву розтягу може мати місце спочатку деформаційне зміцнення, а потім знеміцнення, а за високих температур механічних випробувань (і 0,5 Тпл.) з ранніх етапів деформації спостерігається деформаційне знеміцнення, зв'язане з зернограничним механізмом деформації.

2. Встановлено, що у вивчених матеріалах з різним типом кристалічної структури радіаційна крихкість не зв'язана зі зміною термоактиваційних механізмів, що контролюють швидкість пластичної деформації, а обумовлюється еволюцією дальнодіючих (довгохвильових) мод пластичної деформації. При цьому величина як НТРК, так і ВТРК збільшується з ростом відношення sm /s* - тобто дальнодіючої атермічної і близькодіючої термічно-активованої компонент напруження течеї.

3. У широкому інтервалі температур деформування вивчена роль границь зерен у радіаційнійу крихкості матеріалів.

В інтервалі температур прояву НТРК параметр Kу (у рівнянні Холла-Петча), що характеризує зміцнення границь зерен збільшується після опромінення аж до температур 773 К, що зв'язано із затрудненням передачі ковзання через границі зерен, тобто внеском так званого "бар'єрного" механізму зміцнення.

Показано, що у температурному інтервалі прояву ВТРК насичення границь зерен гелієм досягається при дуже низьких середніх концентраціях, що не перевищують кілька часток на мільйон за рахунок міжвузельного механізму міграції. Прямі експерименти на зразках з "бамбуковою" структурою, а також експерименти з вивчення зернограничного проковзування дозволили вперше показати, що гелій приводить до зниження як зсувної, так і когезивної міцності границь зерен навіть за відсутності зернограничної пористості.

4. Побудована дислокаційна модель радіаційної крихкості, що враховує вплив гелію на ширину ядра зернограничних дислокацій, зміну всіх компонентів напруження течії (міцності) по границям зерен, збільшення густини зернограничних дислокацій за рахунок підвищення адсорбційної здатності границь зерен для решіткових дислокацій. Отримано аналітичний вираз для зміни густини зернограничних дислокацій, що відповідає експериментальним даним і дозволяє описувати випадок будь-яких температур механічних випробувань.

5. Вивчено вплив рідкоземельних елементів (РЗЕ) на параметри деформаційного зміцнення, механізми пластичної деформації, властивості границь зерен, і руйнування опромінених матеріалів у широкому інтервалі температур (293…1173 К) і доз опромінення (10-4...10-1 зна).

Легування скандієм не приводить до зниження схильності до радіаційної крихкості нікелю та сталей типу Х16Н15 в інтервалі температур прояву НТРК. Це може бути зв'язане з підвищенням надлишкової концентрації точкових дефектів. Показано, що висока нерівноважна концентрація вакансій (~ 10-4 вак./ат.) приводить до появи в цих умовах ефектів пластичної нестабільності за рахунок механізмів формування смуг зсуву і появи ротаційної зсувної нестійкості. Встановлено зв'язок зниження величини НТРК з величиною невідповідності атомних радіусів у сплавах нікелю зі скандієм, лантаном, празеодимом, а також у сплавах системи мідь-іттрій. На підставі цих досліджень встановлено, що механізмом зниження крихкості може бути підвищення ступеня рекомбінації точкових дефектів.

Запропоновано фізичну схему, що зв'язує величину радіаційного зміцнення матеріалів легованих РЗЕ чи іншими домішками з енергією зв'язку комплексів vp і ip - відповідно, вакансія - атом домішки, та міжвузельний атом - атом домішки.

Вивчено роль РЗЕ в зміцненні границь зерен. Показано, що легування РЗЕ сталей типу Х16Н15 приводить до зниження параметра Ку, що свідчить про полегшення передачі ковзання через границі зерен при легуванні і, відповідно, зниження імовірності утворення зернограничних тріщин. Показано, що хоча опромінення і приводить до збільшення параметра Ку, але основний внесок у радіаційне зміцнення зв'язаний із внутризереним зміцненням.

6. У роботі уперше висунута концепція про вплив радіаційних дефектів на енергію дефекту упакування. На підставі результатів досліджень, що ґрунтуються на уявленнях про зв'язок енергії дефектів упакування з поперечним ковзанням у матеріалах, щільністю двійників деформаційного походження, величиною зернограничного піка внутрішнього тертя, а також прямих експериментах по виміру ширини розщеплення зернограничних дислокацій зроблено висновок, що опромінення за температур Ј 0,2Тпл. приводить до зменшення енергії дефектів упакування.

Отримані результати дозволяють з нових позицій пояснити виникнення ефектів пластичної нестабільності в опромінених матеріалах, що деформуються з урахуванням зміни в результаті опромінення властивостей самих дислокацій (як решіткових, так і зернограничних).

7. Вивчено вплив опромінення на розвиток ефектів пластичної нестабільності і локалізації пластичного плину в матеріалах з різним типом кристалічної структури - у сплавах нікель-скандій, в аустенітній нержавіючій сталі 0Х16Н15М3Б, а також у цій же сталі, легованої скандієм (ГЦК), у хромі, ванадії (ОЦК). Показано, що опромінення приводить до зниження ефектів мікропластичної нестабільності, і збільшенню пластичної нестабільності на макрорівні.

Збільшення ступеня локалізації пластичної деформації можна інтерпретувати як посилення поширення ротаційних мод пластичної деформації. Показано, що цей ефект зв'язаний зі зниженням енергії дефекту упакування.

8. Запропонована синергетична концепція радіаційної крихкості, що враховує ієрархію структурних рівнів пластичної деформації і нестабільності. Відповідно до неї роль опромінення полягає в тім, що воно, затруднюючи мікропластичну нестабільність і, приводячи до посилення макропластичної нестабільності, прискореним по структурним рівням деформації чином втягує в пластичну течію більш високий структурний рівень пластичної деформації (нестабільності), що приводить до передчасного руйнування опроміненого матеріалу.

9. Запропоновано теоретичний опис процесу формування просторово-часових дислокаційних неоднорідностей у опроміненому матеріалі, що деформується: дислокаційних каналів, смуг Чернова - Людерса, динамічних автохвильових структур, що самоорганізуються, і формуються на етапах розвинутої пластичної деформації (релаксаційні хвилі Данилова - Зуєва).

Показано принципову можливість зниження ефектів локалізації (крихкості) за допомогою активізації мікрорівня пластичної деформації, зв'язаного з термоактивованими процесами пластичної деформації.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В РОБОТАХ

1.Влияние высокоэнергетического электронного облучения на радиационное упрочнение никеля, ванадия, железа и их сплавов / Зейдлиц М.П., Ожигов Л.С., Пархоменко А.А., Рябчиков Л.Н., Шевченко С.В. // ВАНТ. Сер.: ФРП и РМ. -1975. -Вып.1(2). -С.36-38.

2.Влияние высокоэнергетического электронного облучения на термоактивационные параметры процесса пластической деформации магний-берилиевого сплава / Зеленский В.Ф., Неклюдов И.М., Ожигов Л.С., Пархоменко А.А., Савченко В.И. // ВАНТ. Сер.: ФРП и РМ. -1979. -Вып.2(10). -С.61-65.

3.Сверхпластическая деформация Zr-1%Nb сплава, облученного высокоэнергетическими (е, g)-пучками / И.М.Неклюдов, Л.С.Ожигов, А.А.Пархоменко, В.П.Подтыкан // Атомная энергия. -1989. -Т.66. -С.132-135.

4.Влияние облучения высокоэнергетическими электронами на механические свойства алюминиевых сплавов / Ожигов Л.С., Пархоменко А.А., Савченко В.И., Коханенко И.К., Шумило В.А. // ВАНТ. Сер.: ФРП и РМ, 1990. -Вып.2(53). -С.50-54.

5.Динамическое деформационное старение стали 06Х16Н15М3Б, легированной скандием Зейдлиц М.П., Ожигов Л.С., Пархоменко А.А., Стефанов В.Ф., Черный Б.П. // ВАНТ. Сер. ФРП и РМ. -1991. -Вып. 2(56). -с.31-38.

6.Исследование распределения скандия в аустенитной нержавеющей стали вблизи поверхности методом ВИМС / Зейдлиц М.П., Ожигов Л.С., Уваров В.Т., Пархоменко А.А., Шеремет В.И. // ВАНТ. Сер.: ФРП и РМ. -1991. -Вып.3(57). -С.87-90.

7.Волобуев А.В., Ожигов Л.С., Пархоменко А.А.. Роль вакансионной пересыщенности в радиационном упрочнении и пластической нестабильности никеля и никель-скандиевых сплавов // ВАНТ. Сер.: ФРП и РМ. -1996. -Вып.1(64). -С.3-9.

8.Индуцированные абсорбцией гелия изменения тонкой структуры границ зерен и гелиевое охрупчивание / Герасименко В.И., Михайловский И.М., Неклюдов И.М., Пархоменко А.А., Великодная О.А. // ЖТФ. -1998. -Т.68. -№7. -С.64-70.

9.Влияние гелия на подвижность дислокаций в кристалле LiF / А.К.Малик, И.М.Неклюдов, А.А.Пархоменко, В.В.Ганн // ВАНТ. Сер.: ФРП и РМ. -1997. -Вып.1(65), 2(66). -С.80-83.

10.Микротвердость кристаллов фтористого лития, облученных a-частицами / Неклюдов И.М., Малик А.К., Олейник С.Н., Пархоменко А.А., Божко В.П. // Физика и химия обработки материалов. -1998. -№4. -С.35-40.

11.Кинетика дислокационных ансамблей в деформируемых облученных материалах / Н.В.Камышанченко, В.В.Красильников, И.М.Неклюдов, А.А.Пархоменко // ФТТ. -1998. -Т.40. -№9. -С.1631-1634.

12.Роль внутренних напряжений в локализации пластической деформации облученных материалов / Н.В.Камышанченко, В.В.Красильников, И.М.Неклюдов, А.А.Пархоменко // Письма в ЖТФ. -1999. -Т.25. -С.86-90.

13.Пархоменко А.А. Использование метода внутреннего трения для изучения свойств границ зерен в области температур гелиевого охрупчивания // Вестник ХГУ. -1999. -№421. -С.24-27.

14.Пархоменко О.О. Колективнi дислокацiйнi ефекти та радiацiйна крихкiсть // УФЖ. -1998. -Т.43. -№3. -С.354-356.

15.Пархоменко А.А. Микроструктура и радиационное охрупчивание никеля и стали 0Х16Н15М3Б // Электронная микроскопия и прочность кристаллов. -Киев: -Институт проблем материаловедения. -1998. -Вып.9. -С.103-111.

16.Пархоменко А.А. Взаимодействие дислокаций с границами зерен и радиационное охрупчивание материалов // ВАНТ. Сер.: ФРП и РМ. -1998. -Вып.6(72). -С.59-64.

17.Об особенностях деформационного упрочнения облученных материалов / Воеводин В.Н., Ожигов Л.С., Пархоменко А.А., Камышанченко И.В., Красильников В.В. // ВАНТ. Сер.: ФРП и РМ. -1998. -Вып.3(69), 4(70). -С.33-36.

18.Пархоменко А.А.. К вопросу о влиянии облучения на энергию дефекта упаковки // Научные ведомости. -1998. -№1(6). Изд-во БГУ. -С.75-80.

19.Пластическая нестабильность и дислокационное каналирование в облученных деформированных материалах / Н.В.Камышанченко, В.В.Красильников, И.М.Неклюдов, А.А.Пархоменко // ВАНТ. Сер.: ФРП и РМ. -1998. -Вып.5(71). -С.20-23.

20.О механизме развития пластической нестабильности в облученных материалах / Камышанченко Н.В., Красильников В.В., Сирота В.В., Неклюдов И.М., Пархоменко А.А. // Известия РАН. Металлы. -2000. -№6. -С.53-60.

21.Влияние микро- и мезо-уровней пластической деформации на радиационное охрупчивание материалов / Воеводин В.Н., Ожигов Л.С., Пархоменко А.А., Камышанченко Н.В., Красильников В.В., Сирота В.В. // Вестник Харьковского национального университета. -2001. -№510. -Вып.1(13). -С.83-86.

22.Формирование пространственных неоднородностей в деформируемых облученных материалах / Камышанченко Н.В., Красильников В.В., Неклюдов И.М., Пархоменко А.А., Сирота В.В. // Конденсированные среды и межфазные границы. -2001. -Т.2, №4. -С.339-341.

23.Радиационное охрупчивание сплава Zr-2,5%Nb, облученного высокоэнергетическими

(е, g)-пучками / Воеводин В.Н., Неклюдов И.М., Ожигов Л.С., Пархоменко А.А., Савченко В.И., Стукалов А.И. // Вестник Харьковского национального университета. -2001.

-№522. -Вып.2(14). -С.64-67.

24.Влияние облучения пучками высокоэнергетических электронов и g-квантов на механические свойства сталей Х18П10Т и 06Х16Н15М3Б / И.М.Неклюдов, Л.С.Ожигов, А.А.Пархоменко, В.Ф.Стефанов // Препринт ХФТИ АН УССР. -1988. -№38-53. -С.11.

25.Релаксационные свойства никеля и стали 0Х16Н11М3, легированной РЗМ / Карасев В.С., Гринник Э.У., Неклюдов И.М., Ожигов Л.С., Пархоменко А.А. // Труды Межд. конф. "Радиационное материаловедение". -Т.6. -Харьков: ХФТИ. -1990. -С.60-66.

26.Неклюдов И.М., Ожигов Л.С., Пархоменко А.А. Роль границ зерен в радиационном охрупчивании материалов // Труды I Межд. Семинара "Эволюция дефектных структур в металлах и сплавах". -Барнаул. -1992. -С.50-51.

27.Деформационное упрочнение и пластическая нестабильность никеля, легированного скандием / Неклюдов И.М., Ожигов Л.С., Пархоменко А.А., Стефанов В.Ф., Руденко А.Г., Зейдлиц М.П. // Тезисы доклада 13-й Межд. конф. "Физика прочности и пластичности металлов и сплавов". -Самара. -1992. -С.29-30.

28.Модель сухого трения и зернограничные эффекты в облученных деформируемых материалах / Р.И.Гарбер, И.М.Неклюдов, Л.С.Ожигов, А.А.Пархоменко // Тезисы доклада

14-й Межд. конф. "Физика прочности и пластичности металлов и сплавов". -Самара. -1995. -С.376.

29.Dislocation mechanisms of the gelium embrittlement of materials / Neklyudov I.M., Gerasimenko V.I., Michailowskij I.M., Ozhigov L.S., Parkhomenko A.A.. // Abstracts of Seventh Int. Conf. on “Fusion reactor materials”. - Obninsk (Russia). -1995. -P.263.

30.Влияние облучения на деформацию Чернова-Людерса материалов с различным типом кристаллической структуры / И.М.Неклюдов, Л.С.Ожигов, А.А.Пархоменко, В.Д.Заболотный // Физические явления в твердых телах. / Под редакцией проф. В.В.Ульянова. -Харьков: ХГУ, 1995. -С.133-135.

31.Influence of irradiation on the dislocation kinetics, allowing for their velociti distribution / I.M.Neklyudov, A.A.Parkhomenko, N.V.Kamyschanchenko, V.V.Krasil'nikov // Abstracts of Eighth Int. Conf. on “Fusion reactor materials”. - Sendai (Japan). -1997. -P3-B065.

АНОТАЦІЇ

Пархоменко О.О.Особливості пластичної деформації опромінених матеріалів з різним типом кристалічної структури.

Дисертації на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07. - фізика твердого тіла. - Рукопис. - Харківський національний університет ім. В.Н.Каразіна, Харків, 2001.

У дисертації розв'язана важлива проблема радіаційної фізики твердого тіла - встановлені закономірності і фізичні механізми впливу параметрів опромінення, механічних випробувань, вихідної структури та її еволюції на механічні властивості матеріалів з різним типом кристалічної структури, що деформуються у широкому інтервалі температур.

Вперше встановлено зв'язок радіаційної крихкості з поведінкою термоактивованої і атермічної компонент напруги течії. Показано, що радіаційна крихкість переважно визначається поведінкою дальнодіючих пружних атермічних напружень. Встановлено, що опромінення не змінює механізмів, що контролюють швидкість пластичної деформації матеріалів з різним типом кристалічної структури.

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

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

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

Ключові слова: радіаційні ефекти, високоенергійні (е, g)-пучки, механічні властивості, радіаційна крихкість, границі зерен, продукти ядерних реакцій, енергія дефекту упакування, пластична нестабільність, синергетика.

Пархоменко А.А. Особенности пластической деформации облученных материалов с различным типом кристаллической структуры.

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.07. - физика твердого тела. - Рукопись. - Харьковский национальный университет им. В.Н.Каразина, Харьков, 2001.

В диссертации впервые решена важная проблема радиационной физики твердого тела - установлены закономерности и физические механизмы влияния параметров облучения, испытаний, исходной структуры и её эволюции на механические свойства материалов с различным типом кристаллической структуры, деформируемых в широком интервале температур.

Установлено, что в изученных материалах с различным типом кристаллической структуры радиационное охрупчивание не связано с изменением термоактивационных механизмов, контролирующих скорость пластической деформации, что находит объяснение в рамках синергетической концепции радиационной повреждаемости и говорит о связи радиационного охрупчивания с эволюцией дальнодействующих (длинноволновых) мод пластической деформации. При этом величина радиационного охрупчивания увеличивается с ростом отношения sm /s* - т. е. дальнодействующий атермической и близкодействующей термически-активированной компонент напряжения течения.

В широком интервале температур деформирования изучена роль границ зерен в радиационном охрупчивании материалов. Показано, что насыщение границ зерен гелием достигается при очень низких средних концентрациях, не превышающих несколько частей на миллион за счет междоузельного механизма миграции.

Развита теория и построена дислокационная модель радиационного охрупчивания, учитывающая влияние гелия на ширину ядра зернограничных дислокаций, изменение всех компонентов напряжения течения (прочности) границ зерен, увеличение плотности зернограничных дислокаций за счет повышения адсорбционной способности границ зерен для матричных дислокаций. Получено аналитическое выражение для изменения плотности зернограничных дислокаций, соответствующее экспериментальным данным и позволяющее описывать случай любых температур испытания.

Изучено влияние редкоземельных элементов (РЗЭ) на параметры деформационного упрочнения, механизмы пластической деформации, свойства границ зерен, и разрушение облученных материалов в широком интервале температур (293…1173 К) и доз облучения (10-4...2·10-1 сна). Предложена физическая схема, связывающая величину радиационного упрочнения материалов легированных РЗЭ или другими примесями с энергией связи комплексов vp и ip - соответственно, вакансия-атом примеси, и междоузельный атом - атом примеси.

Изучена роль РЗЭ в упрочнении границ зерен. Показано, что легирование РЗЭ сталей типа Х16Н15 приводит к снижению параметра Ку, что свидетельствует об облегчении передачи скольжения через границы зерен при легировании и, соответственно, снижению вероятности образования зернограничных трещин. Показано, что хотя облучение и приводит к увеличению параметра Ку, но основной вклад в радиационное упрочнение связан с внутризеренным упрочнением.

В работе впервые выдвинута концепция о влиянии радиационных дефектов на энергию дефекта упаковки. На основании проведенных исследований, основывающихся на представлениях о связи энергии дефектов упаковки с поперечным скольжением в материалах, плотностью двойников деформационного происхождения, величиной зернограничного пика внутреннего трения, а также прямых экспериментах по измерению ширины расщепления зернограничных дислокаций можно сделать вывод, что облучение приводит к уменьшению энергии дефектов упаковки.

Полученные результаты позволяют с новых позиций объяснить возникновение эффектов пластической нестабильности в облученных деформируемых материалах. Если до этого полагалось, что эффекты радиационного упрочнения, охрупчивания, ползучести связаны с влиянием радиационных дефектов на пластическое течение материала (движение дислокаций), то на основании результатов, приведенных в диссертации, можно утверждать, что во внимание необходимо принимать и эффекты изменения в результате облучения свойств решеточных и зернограничных дислокаций.

Изучено влияние облучения на развитие эффектов пластической нестабильности и локализации пластического течения в материалах с различным типом кристаллической структуры - в сплавах никель-скандий, в аустенитной нержавеющей стали 0Х16Н15М3Б, а также в этой же стали, легированной скандием (ГЦК), в хроме, ванадии (ОЦК). Показано, что облучение приводит к снижению эффектов микропластической нестабильности, и увеличению пластической нестабильности на макроуровне.

Впервые приведены карты механизмов пластической деформации облученных материалов, в том числе, стали 0Х18Н10Т, которая используется в реакторах типа ВВЭР-1000 в качестве материала внутрикорпусных устройств (ВКУ). Полученные данные обращают внимание на опасную ситуацию с механическими свойствами ВКУ, которая может сложиться задолго до исчерпания ресурса эксплуатации реакторов.

Предложена синергетическая концепция радиационного охрупчивания, учитывающая иерархию структурных уровней пластической деформации и нестабильности. Согласно ей роль облучения заключается в том, что оно, подавляя микропластическую нестабильность и, приводя к усилению макропластической нестабильности, ускоренным по деформации образом вовлекает в пластическое течение более высокий структурный уровень пластической деформации (нестабильности), "подталкивая" материал к финальным стадиям деформации, преждевременному разрушению и в итоге, к радиационному охрупчиванию.

Предложено теоретическое описание процесса формирования пространственно-временных дислокационных неоднородностей в деформированном облученном материале: дислокационных каналов, полос Чернова - Людерса, динамических самоорганизующихся автоволновых структур, формирующихся на этапах развитой пластической деформации (релаксационные волны Данилова - Зуева).

Показана принципиальная возможность снижения эффектов локализации (охрупчивания) с помощью активизации микроуровня пластической деформации, связанного с термо-активируемыми процессами пластической деформации. При этом все изученные эффекты не зависят от типа кристаллической структуры.

Ключевые слова: радиационные эффекты, высокоэнергетические (е, g)-пучки, механические свойства, радиационное охрупчивание, границы зерен, продукты ядерных реакций, энергия дефекта упаковки, пластическая нестабильность, синергетика.

Parkhomenko A.A. The plastic deformation features of irradiated materials with different types of crystalline structure. - Manuscript.

Thesis for a doctor's degree by a speciality 01.04.07-Solid State Physics. - Kharkov National Karazin University, Kharkov, 2001.

The dissertation is devoted to the solving of an important problem of radiation physics of solid state namely, to the finding of the regularity and physical mechanisms of the following effects: the irradiation and mechanical testing parameters, initial structure and their effect on the materials mechanical properties with different types of crystalline structure.

Beams of high-energy charges particles (electrons 225 MeV, a-particles) were used for simulation of the reactor radiation effects on the structural and model materials.

The relation between radiation embrittlement value and flow stress components behavior (thermal - s*, and athermal component - sm ) is determined.

The dislocation model of radiation embrittlement, with take account of the dislocation interaction with grain boundaries in irradiated deformed materials is proposed. The universal mathematical model of such interaction for wide testing temperatures interval was developed.

The irradiation effects on the stacking fault energy (SFE) of materials with different types of the crystalline structure were studied. As results. the decreasing of the SFE of materials irradiated under temperatures Ј 0.2Tm was establish.

The influence of the rare earth elements on the radiation hardening and embrittlement were studied. The model of this effects with take account of the energy of the “vacancy-impurity” and “interstitial-impurity” complex was developed.

The synergetic conception of radiation emrittlement, which take account of the hierarchy of the structural level of plastic deformation and instability irradiated materials was proposed.

Key-words: radiation effects, high-energy beams, mechanical properties, grain boundary effects, radiation embrittlement, nuclear reaction products, stacking fault energy, plastic instabilities, synergetic conception.

Размещено на Allbest.ru