научная статья по теме ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПОДВИЖНЫХ ДИСЛОКАЦИЙ С ПОЛНЫМИ ДИСЛОКАЦИОННЫМИ ПЕТЛЯМИ В АУСТЕНИТНЫХ СПЛАВАХ FE–NI–CR Физика

Текст научной статьи на тему «ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПОДВИЖНЫХ ДИСЛОКАЦИЙ С ПОЛНЫМИ ДИСЛОКАЦИОННЫМИ ПЕТЛЯМИ В АУСТЕНИТНЫХ СПЛАВАХ FE–NI–CR»

ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 3, с. 85-94

УДК 539.5:548.4

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПОДВИЖНЫХ ДИСЛОКАЦИЙ С ПОЛНЫМИ ДИСЛОКАЦИОННЫМИ ПЕТЛЯМИ В АУСТЕНИТНЫХ СПЛАВАХ Ре-№-Сг © 2015 г. А. В. Бакаев1,2, Д. А. Терентьев2, П. Ю. Григорьев1,2, Е. Е. Журкин1, *

1Санкт-Петербургский государственный политехнический университет,

195251 Санкт-Петербург, Россия 2Бельгийский центр ядерных исследований (БСК-СЕИ), 2400 Мол, Бельгия *Е-таИ: ezhurkin@phmf.spbstu.ru Поступила в редакцию 16.07.2014 г.

Методом классической молекулярной динамики проведено моделирование взаимодействия винтовых и краевых дислокаций с межузельными полными дислокационными петлями (диаметром 2 и 5 нм) при температурах Т = 300—900 К в модельном аустенитном сплаве Ре70№10Сг20. Полные петли могут преобразовываться из петель Франка при пластической деформации облученных аустенит-ных сталей, применяющихся в ядерных реакторах. В результате установлены и классифицированы механизмы взаимодействия дислокация—дефект. Выявлены механизмы поглощения петель, связанные с образованием свободных каналов, способствующих радиационному охрупчиванию сталей. Проведено сравнение эффективностей поглощения петель при их взаимодействии с винтовой и краевой дислокациями и напряжений отрыва, необходимых для преодоления дислокацией дефекта-барьера в зависимости от температуры материала, размера дефекта и геометрии взаимодействия.

Ключевые слова: аустенитные сплавы железа, дислокации, дислокационные петли, пластическая деформация, взаимодействие дислокации с дефектами, классическая молекулярная динамика.

DOI: 10.7868/S0207352815030051

ВВЕДЕНИЕ

В ядерных реакторах ВВЭР-1000 и их зарубежных аналогах PWR (pressurized water reactors) в качестве конструкционных материалов используются аустенитные стали марок 03Х18Н11, 03Х16Н15М3 (которые являются аналогами зарубежных сталей марок 304L и 316L соответственно), а также сталь 08Х18Н10Т. Их применение обусловлено хорошими рабочими характеристиками, такими как прочность, пластичность, устойчивость к коррозии. В процессе эксплуатации данные стали подвергаются воздействию нейтронного облучения, которое вызывает образование точечных и протяженных радиационных дефектов [1], что приводит к изменению пластических свойств материала, вызывая его радиационное упрочнение и охрупчивание [2, 3]. Физической причиной этих процессов является взаимодействие радиационных дефектов с подвижными дислокациями при пластической деформации [1]. Во-первых, протяженные дефекты являются препятствиями-барьерами для движения дислокаций, что приводит к увеличению предела текучести и к радиационному упрочнению. Во-вторых, было установлено [2, 3], что дислокации могут поглощать дефекты, что приводит к образованию свободных каналов, т.е. локальных областей, где отсутствуют радиа-

ционные дефекты. Это, в свою очередь, может вызвать локализованную пластическую деформацию при нагрузке и преждевременное разрушение материала.

Среди экспериментальных работ, в которых были рассмотрены изменения микроструктуры и механических свойств облученных аустенитных сталей, следует отметить обзор [4] и статьи [5—7]. В них показано, что при температурах до 0.3 Тт (где Тт — температура плавления) и дозах облучения около нескольких сна (смещений на атом) преобладающим типом протяженных радиационных дефектов являются дислокационные петли Франка межузельного типа, имеющие вектор Бюргерса 1/3(111). В [4] утверждается, что петли Франка могут преобразовываться в полные дислокационные петли с вектором Бюргерса 1/2(110) при увеличении диаметра петли выше критического размера, равного 50—100 нм. Данный процесс наблюдался в высокотемпературном режиме облучения (Т > 450°С). В [6] показано, что радиационное упрочнение аустенитных сталей, облученных в низкотемпературном режиме (Т = 330— 375°С), достигает максимума при дозах около 5— 10 сна и не увеличивается при дальнейшем росте дозы, что связано с тем, что петли Франка превращаются в полные петли (при критическом диамет-

ре петли ~7—8 нм). Последние, по всей видимости, в меньшей степени препятствуют движению дислокаций (по сравнению с петлями Франка). Преобразование петель Франка в полные петли связано с энергетическим балансом "энергия дефекта упаковки"—"упругая энергия дислокации": при увеличении размера петли энергия дефекта упаковки растет пропорционально квадрату диаметра петли D, в то время как упругая энергия дислокации увеличивается прямо пропорционально lnD [2]. Таким образом, меньшее значение энергии дислокации (которое прямо пропорционально квадрату вектора Бюргерса петли) в случае малых петель Франка (по сравнению с полными петлями) нивелируется значительно большей величиной энергии дефекта упаковки при превышении вышеуказанного критического размера D (что приводит к устранению дефекта упаковки, т.е. преобразованию петли Франка в полную петлю).

В последнее десятилетие для изучения свойств облученных материалов наряду с экспериментом новое развитие получило атомистическое компьютерное моделирование, в частности, с использованием метода классической молекулярной динамики, который позволяет оперировать с реалистичными размерами дислокационных петель. Это связано с быстрым развитием компьютерных мощностей (в частности, с возможностью параллелизации вычислений). В рамках такого моделирования стало возможно рассматривать движение атомов в кристалле с линейными размерами порядка нескольких десятков нанометров, что позволяет изучать взаимодействие подвижных дислокаций с протяженными дефектами при приложении внешней нагрузки [2]. До недавнего времени большинство подобных работ было посвящено исследованию a-Fe, которое имеет объемноцентрированную кубическую (ОЦК) решетку в рассматриваемом диапазоне температур (0—600°С), в то время как аустенитная сталь имеет гранецентрированную кубическую (ГЦК) кристаллическую решетку.

К настоящему времени имеется ряд работ, где с помощью метода молекулярной динамики изучалось взаимодействие дислокаций с радиационными дефектами (такими как петля Франка и тетраэдр дефектов упаковки) в чистых металлах, имеющих ГЦК-решетку (Al, Ni, Cu) [8—10]. Характер таких взаимодействий существенно зависит от энергии дефекта упаковки и упругих констант материала. По сравнению с чистыми ГЦК-метал-лами аустенитные сплавы имеют примерно вдвое меньшее значение энергии дефекта упаковки (~20 мДж/м2) и вдвое большее значение модуля упругости G (~80 ГПа). Таким образом, механизмы взаимодействия дислокация—дефект, найденные для чистых ГЦК-металлов, не могут быть экстраполированы на аустенитные сплавы.

В настоящее время имеется лишь несколько работ, в которых на атомарном уровне моделиро-

вались механизмы взаимодействия дислокаций с протяженными дефектами в модельных аустенит-ных сплавах. Так, в [11] рассматривался двойной сплав Ре1_ х№х. В [12] был предложен межатомный потенциал для тройной системы Ре—№—Сг, который позволяет воспроизводить механические свойства аустенитной стали (зарубежной марки 316Ь) с содержанием никеля и хрома около 10 и 20% соответственно. В частности, данная модель корректно предсказывает значения энергии дефекта упаковки и О, а также стабильность ГЦК-фазы во всем диапазоне концентраций N1 и Сг. Данный потенциал был применен для атомистического исследования взаимодействия винтовых [13, 14] и краевых [15] дислокаций с петлями Франка диаметром 2—5 нм в диапазоне температур Т = 300—900 К. Были установлены дислокационные реакции (сопровождавшиеся сдвигом, частичным и полным поглощением петли) и соответствующие значения напряжения отрыва дислокации от дефекта-препятствия. Также было показано, что при некоторых дислокационных реакциях петля Франка может превращаться в полную петлю. Отметим, что на данный момент механизмы взаимодействия дислокаций с полными петлями в ГЦК-материалах, а также оценка их вклада в радиационное упрочнение и охрупчивание не изучались.

Настоящая работа является продолжением исследований [13—15] и является логическим завершением процесса построения модели взаимодействий дислокация—дефект в сплаве Ре70%№10%Сг20%, являющимся модельным сплавом для реакторных аустенитных сталей. Целью данной работы является изучение на атомарном уровне механизмов взаимодействия винтовых и краевых дислокаций с полными дислокационными петлями (диаметром 2—5 нм) в Ре70%№10%Сг20% при различных температурах Т = 300—900 К, оценка значений критического напряжения, необходимого для преодоления дислокацией дефекта-препятствия, сравнение с ранее полученными результатами для петель Франка [13—15]. Кроме того, в рамках проводимого моделирования возможно оценить вклад полных петель (образующихся при пластической деформации) в радиационное упрочнение материала, а также вычислить вероятность поглощения полной петли дислокациями и сравнить ее с соответствующей эффективностью поглощения петель Франка.

МЕТОДИКА МОДЕЛИРОВАНИЯ

Методика моделирования, использованная в данной работе, аналогична методике, ранее описанной в [13, 15], поэтому укажем лишь ее основные моменты. В работе применен метод классической молекулярной динамики [16] с использованием многочастичного потенциала межатомного взаимодействия [12], основанного на модели погру-

женного атома [17]. Межатомный потенциал [12] оптимизирован для атомистического моделирования механических свойств аустенитного сплава Ре70%№10%Сг20%, обладающего кристаллической ГЦК-решеткой, низкой энергией дефекта упаковки и высоким значением О. Использовалась модель периодических дислокаций [16]. Модельный кристалл состоял примерно из полутора миллионов атомов, его размеры составляли 113.1а0 х 121.9а0 х 27.7а0 (где а0 — постоянная решетки). Периодические граничные условия применялись вдоль декартовых осей X[110] и У[ 112 ]; а плоскости граней {111}, перпендикулярные оси Z, являлись свободными поверхностями, причем атомы нескольких самых "верхних" и "нижних" плоскостей {111} жестко фиксировались. Внешняя нагрузка реализовывалась за счет сдвига нескольких верхних атомных плоскостей {111} модельного кристалла. Скорость приложения внешней нагрузки составила 30 х

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»