ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2004, том 97, № 6, с. 66-74
_ СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ _
ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ
УДК 669.15-194.56:621.787:620.186.2
РАДИАЦИОННО-ИНДУЦИРОВАННАЯ СЕГРЕГАЦИЯ ДЕЙТЕРИЯ В АУСТЕНИТНЫХ СТАЛЯХ. СООБЩЕНИЕ 1. РОЛЬ ТИТАНА
© 2004 г. В. Л. Арбузов*, Г. А. Распопова*, В. В. Сагарадзе*, Н. Л. Печеркина*, А. П. Дружков*, К. В. Шальнов*, Ю. Н. Зуев**
*Институт физики металлов УрО РАН, 620219 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18 ** Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский НИИ технической физики, 456770 Снежинск, Челябинской области Поступила в редакцию 11.09.2003 г.
Методом ядерных реакций при комнатной температуре исследовано влияние титана на индуцированную ионным облучением сегрегацию дейтерия (РИС) в стали Х16Н15М3(Т1). Аттестацию микроструктуры изучаемых образцов проводили с помощью просвечивающей электронной, сканирующей электронной и туннельной микроскопии. Установлено, что частицы титаносодержащих фаз (Т1С и у-фазы (№3Т1)) в исходной структуре стали являются ловушками дейтерия и усиливают РИС. Предполагается, что различие в темпах роста сегрегации с увеличением дозы облучения изучаемых сталей связано с радиационно-индуцированным образованием у-фазы в стали с титаном. Показано, что аномальная нестабильность сегрегации по собирательному типу присуща как стали с титаном, так и беститановой стали.
1. ВВЕДЕНИЕ
Известно, что благодаря малым размерам и высокой диффузионной подвижности атомы водорода уже при низких температурах активно взаимодействуют с дефектами кристаллической решетки и декорируют их [1]. При достаточно высокой энергии связи водорода в таких "ловушках" он может сохраняться до высоких температур [2] без образования гидридов. Как недавно было установлено, при уровне радиационного повреждения 33 смещений на атом (нейтронное облучение в условиях эксплуатации элементов внутрикор-пусных конструкций реакторов) наблюдается накопление водорода до ~0.4 ат. % [3], что, естественно, может приводить к деградации служебных свойств конструкций. Такие высокие уровни радиационного повреждения и, соответственно, высокие концентрации водорода могут быть получены также и в области радиационно-индуциро-ванной сегрегации (далее РИС или сегрегации) при ионном облучении водородосодержащих материалов или при облучении мишеней ионами водорода [4].
Сегрегация дейтерия в аустенитной стали Х16Н15М3Т1 была обнаружена ранее [4-7]. Было установлено, что в этой стали, в отличие от других изученных материалов, РИС нестабильна по аномальному "собирательному" типу. Это выражалось в том, что за время остановки облучения средняя концентрация имплантированного дейтерия в облученной зоне скачкообразно возрастала. При этом сохранялся неоднородный характер распределения дейтерия в зоне анализа [5].
Были высказаны предположения, что такое аномальное поведение сегрегации обусловлено эволюцией структуры радиационных дефектов с образованием за время остановки облучения дополнительных ловушек дейтерия вакансионного типа. Кроме того, не исключалась возможность радиаци-онно-индуцированных структурно-фазовых превращений в облученных объемах с образованием новых структурных составляющих и перераспределения атомов дейтерия из необлученного объема мишени в область сегрегации. Полагали также, что исходная структура и состав аустенитной стали могли оказывать существенное влияние на развитие процессов формирования и эволюции сегрегации.
Известно, что некоторые легирующие добавки даже в малых количествах могут влиять на радиационное повреждение материалов и РИС водорода в них [8]. Так, в аустенитной стали Х16Н15М3Т1 добавка 1% титана приводит к сильному снижению радиационного распухания при нейтронном облучении [9]. Целью настоящей работы являлось выявление роли титана в формировании и аномальном поведении РИС дейтерия в стали Х16Н15М3Т1.
2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ
В работе изучали образцы в виде пластинок 10 х 10 х 0.2 мм из сталей Х16Н15М3 и Х16Н15М3Т1, содержащих ~0.03 мас. % С, в следующих структурных состояниях: закалка от
1100°C (1 ч) и закалка с последующим старением при 650°C (18-20 ч).
Сегрегацию дейтерия при комнатной температуре создавали имплантацией (облучением) ионов D+ энергией 700 кэВ и одновременно измеряли с помощью ядерной реакции D(d, p)T (как и ранее в [4-7]). Регистрацию продуктов реакции (протонов) проводили дискретно, и полученный результат относили к середине дозы облучения-измерения. РИС оценивали по CD - средней концентрации дейтерия в облученной дейтронами области (величине накопления дейтерия) и по поведению зависимости CD(F), где F - доза облучения ионами на момент регистрации CD.
Выбор изотопа дейтерия для изучения РИС водорода обусловлен двумя причинами. Первая -этот изотоп крайне редко встречается в природе и, анализируя его распределения в образцах, можно быть уверенным, что весь измеряемый дейтерий имеет имплантационную природу. Вторая -существует ядерная реакция D(d, p)T, которая позволяет при выбранных энергиях дейтронов совмещать в пространстве и времени процессы имплантации (облучения) и измерения дейтерия.
Условия имплантации-измерения выбраны в данной работе, как и в предыдущих, на основании следующих соображений. Энергия имплантированных ионов дейтерия должна быть достаточна для регистрации информации с глубин, на которых можно надежно уйти от эффектов, связанных с поверхностью образцов и поверхностными загрязнениями при анализе взаимодействия имплантированных атомов со структурными и радиационными дефектами. В то же время выбор энергии дейтронов должен обеспечивать оптимальные условия измерения (достаточный выход протонов реакции D(d, p)T при одновременном низком выходе продуктов конкурирующей реакции дейтронов на углероде 12C(D, p1)C13). Таким требованиям соответствует энергия дейтронов 700 кэВ. Глубина облученной зоны (зоны анализа) составляет при этом ~4 мкм при разрешении используемой ядерной реакции ~0.5 мкм. Выбранная в эксперименте геометрия измерения (угол между падающим пучком дейтронов и направлением детектирования протонов составляет 120 град) делает возможным извлечение глубинного распределения дейтерия. Кроме того, такое расположение детектора сохраняет возможности надежного контроля за неизменным состоянием поверхности по кислороду с помощью ядерной реакции 16O(d, p1)17O.
Глубинное распределение дейтерия C(h) (C -концентрация дейтерия на глубине h) определяли из сопоставления результатов анализа мишени и эталона с постоянной концентрацией изучаемого изотопа водорода.
Микроструктуру изучали методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) на микроскопе ШМ-200СХ [10] при ускоряющем напряжении 160 кВ. Фольги готовили по стандартной методике в смеси ортофосфорной кислоты с хромовым ангидридом. Кроме того, с помощью сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) и растровой электронной микроскопии (РЭМ) анализировали структуру образцов, которые предварительно подвергали электролитическим полированию и травлению для выявления структуры и удаления поверхностного загрязнения. Размеры выделений определяли усреднением по 10 и более изображениям.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
3.1. Структура аустенитной стали в закаленном и состаренном состояниях
Как показал анализ структуры методами (РЭМ) и (ПЭМ), все изученные образцы вне зависимости от состава и термической обработки имели размер зерна ~30 мкм и одинаковую плотность дислокаций порядка 107 см-2. В то же время между ними существовали различия по количеству и размерам неметаллических включений. Ниже приведены результаты этого анализа на электронном просвечивающем микроскопе и результаты, полученные на СТМ и РЭМ.
Структура закаленных сталей
На закаленных образцах обнаружено два типа включений.
Это, во-первых, одиночные, произвольным образом расположенные крупные частицы размером от 100 до 500 нм. Плотность их распределения составляет ~(1012-1013) см-3. Анализ микродифракции с фрагментов крупных частиц позволяет предположить их металлургическое происхождение (возможно сложные окислы кальция и других металлов - раскислителей). Некоторые крупные единичные частицы (или их фрагменты) в образцах стали с титаном идентифицированы как карбиды Т1С, не растворившиеся при нагреве под закалку.
Во-вторых, на границах зерен обнаружены одиночные дисперсные частицы неизвестного состава. По данным СТМ объемная доля этих частиц размером ~10 нм составляет не более 0.3%.
Объемная суммарная доля неметаллических включений в закаленных сталях составляет менее 1%.
Структура состаренных сталей
Наряду с частицами, характерными для закаленных сталей, в состаренных сталях выявлены скопления дисперсных выделений размером 5-7 нм.
В беститановой стали эти скопления располагаются преимущественно на границах зерен и идентифицированы как карбиды M23C6.
В титаносодержащей стали дисперсные включения выявлены как на границах зерен, так и на дислокациях и границах субзерен. Анализ микродифракции со скопления частиц и использование методики темнопольных изображений (выделения светятся на темнопольных изображениях, полученных в рефлексе {111} карбида титана) позволили установить, что это карбиды TiC. Детальный ПЭМ-анализ фольг состаренной стали с титаном выявил контраст типа ряби на контурах экстинкции, что позволяет утверждать, что наряду с дисперсными карбидами TiC в процессе старения выделяются частицы предположительно У-фазы Ni3Ti. Плотность распределения этих мелких выделений составляет 0.2 х 1017 см-3. СТМ-анализ дает размер интерметаллидов до 6 нм, плотность распределения 1.2 х 1017 см-3. Среднее значение плотности распределения у'-фазы по двум использованным методикам составляет ~0.7 х 1017 см-3, а объемная доля не более 1.3%.
Результаты анализа неметаллических включений в состаренной стали с титаном согласуются с балансом по углероду и титану. Расчет объемной доли карбидов при 0.03 мас. % C дает объемную долю карбидов TiC (плотность =4.9 г/см3 [11]) - не более 0.24%. В то же время старение аустенитной стали с 1% титана (причем только 0.7% Ti участвует в образовании интерметаллидов) приводит к образованию до 3% у'-фазы ([9]).
С учетом
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.