ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2014, том 115, № 10, с. 1070-1074
^ ПРОЧНОСТЬ
И ПЛАСТИЧНОСТЬ
УДК 539.12.043:621.039.531
ВЛИЯНИЕ РАСТЯГИВАЮЩИХ НАПРЯЖЕНИЙ НА ЭВОЛЮЦИЮ ВАКАНСИОННОЙ ПОРИСТОСТИ В СТАЛИ Fe-18% Cr-10% Ni-Ti, ОБЛУЧЕННОЙ В РЕАКТОРЕ БОР-60
© 2014 г. В. С. Неустроев, С. В. Белозеров, Е. И. Макаров, А. В. Обухов
ОАО "ГНЦНИИАР" 433510, Ульяновская область, г. Димитровград e-mail: neustroev@niiar.ru Поступила в редакцию 16.09.2013 г.; в окончательном варианте — 19.04.2014 г.
Приведены результаты микроструктурных исследований аустенитной стали 08Х18Н10Т, облученной в реакторе Б0Р-60 до повреждающей дозы 36 сна при температуре около 420°C. Проведено сравнение полученных результатов с ранее опубликованными данными по влиянию напряжений на развитие вакансионной пористости в аустенитных сталях, облученных в реакторе Б0Р-60.
Ключевые слова: аустенитная сталь Х18Н10Т, нейтронное облучение, повреждающая доза, ваканси-онная пористость, растягивающие напряжения, реактор БОР-60.
Б01: 10.7868/80015323014100118
ВВЕДЕНИЕ
Такие радиационные явления, как эволюция микроструктуры при низкой температуре облучения, низкотемпературное распухание, определяющие во многом ресурс внутрикорпусных устройств (ВКУ) реакторов ВВЭР [1—5], происходят в толстостенных конструкциях ВКУ, в условиях градиентов температуры и потока нейтронов. Это приводит к появлению в конструкциях напряжений, достигающих, по некоторым оценкам, предела текучести необлученной стали [6]. Поэтому исследования влияния напряжений на микроструктуру и радиационное распухание аустенитных сталей при условиях облучения, возможных во время эксплуатации ВКУ ВВЭР, — актуальная задача.
Известны основные закономерности эволюции вакансионной пористости с ростом повреждающей дозы в сталях аустенитного класса [7—12]. Они сводятся к росту концентрации пор на стадии инкубационного периода с выходом на некоторый уровень насыщения по завершению переходного периода распухания (величина распухания составляет около 1—2%), средние размеры пор, на этой первой стадии практически не увеличиваются. Дальнейшая эволюция пористости (рост объемной доли) связана на этой стадии с ростом концентрации пор. Последующее возрастание распухания с увеличением повреждающей дозы связано уже с ростом размеров пор при практически постоянном уровне их концентрации. Такие изменения параметров вакансионной пористости были рассмотрены и в некоторых теоретических, напри-
мер, [13], и в экспериментальных работах [7—12]. Настоящее исследование является продолжением эксперимента по облучению газонаполненных образцов, облученных в реакторе БОР-60 до повреждающей дозы 15 смещений на атом (сна) [14], в котором исследовалась микроструктура образцов на стадии инкубационного периода распухания в присутствии напряжений разного типа. В проведенных экспериментах исследовалась сталь 08Х18Н10Т в аустенизированном состоянии — материал ВКУ реакторов типа ВВЭР. Результаты настоящей статьи дополняют и расширяют базу данных по эволюции вакансионной пористости сталей аустенитного класса в присутствии напряжений.
МАТЕРИАЛЫ, УСЛОВИЯ ОБЛУЧЕНИЯ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Газонаполненные образцы сложной формы (рис. 1) [14, 15], изготовленные из стали 08Х18Н10Т в аустенизированном состоянии, были облучены в реакторе БОР-60 до повреждающей дозы 36 сна при температуре около 420°С. На внешние трубки действовали растягивающие (тангенциальные) напряжения в диапазоне от 144 до 206 МПа. Исходная термообработка стали включала нагрев до 1050°С, выдержку 15 мин и охлаждение на воздухе. Состав стали соответствовал ГОСТ 5632-72. Исследование микроструктуры оболочки облученных газонаполненных образцов проводили на трансмиссионном электронном микроскопе 1ЕМ-2000ЕХП.
ВЛИЯНИЕ РАСТЯГИВАЮЩИХ НАПРЯЖЕНИЙ
1071
разного размера и концентрации (рис. 2а—2в). Во всех исследованных образцах была обнаружена значительная неоднородность в распределении пор вблизи границ зерен, крупных частиц вторичных фаз и других стоках радиационных дефектов (рис. 2г—2д). Вблизи границ зерен была отмечена характерная для аустенитных сталей зона, свободная от пор и выделений (рис. 2д), за ней располагалась зона с порами больших размеров и далее, в теле зерна, — достаточно равномерно распределенные вакансионные поры диаметром от 5 нм до 80 нм. Во всех образцах наблюдались также комплексы "пора—частица". Значения объемной доли пор на границе зерен и в приграничной зоне равнялось нулю. В следующей за ней зоне с порами больших размеров, объемная доля пор, превышала в 3—4 раза объемную долю пор в теле зерна. Такая "окантовка" порами границ зерен может приводить к заметному ухудшению макросвойств стали и особенно ее механических характеристик даже при относительно небольших величинах распухания. Вокруг крупных выделений второй фазы также были обнаружены зоны шириной до 100 нм, в которых отсутствовали поры (рис. 2е).
Зафиксировано увеличение среднего размера вакансионных пор и объемной доли пор с ростом
Рис. 2. Микроструктура образцов из стали 08Х18Н10Т в аустенизированном состоянии, облученных в реакторе Б0Р-60 при Тобл = 420° С до повреждающей дозы 36 сна при разных значениях растягивающих напряжений: а — пористость, образец без напряжения; б — пористость, образец с растягивающими напряжениями ст = 144 МПа; в — пористость, образец с растягивающими напряжениями ст = 206 МПа; г — неоднородная пористость в образце с растягивающим напряжением ст = 144 МПа; д — обедненная порами зона вблизи границ зерен в образце с растягивающим напряжением ст = 206 МПа; е — обедненная порами зона около крупного выделения второй фазы в образце с растягивающим напряжением ст = 206 МПа.
50
Рис. 1. Конструкция коаксиальных газонаполненных образцов:
1 — внутренний трубчатый элемент; 2 — внешний трубчатый элемент; 3 — нижняя кольцевая пробка; 4 — верхняя кольцевая пробка; 5 — технологическая заглушка.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Проведены ПЭМ-исследования коаксиальных газонаполненных образцов из стали 08Х18Н10Т, облученных в реакторе Б0Р-60 при Тобл = 420°С до повреждающей дозы 36 сна. В образцах с разным уровнем растягивающих напряжений были обнаружены одинаковые структурные составляющие — частицы вторичных фаз, дислокационные петли, а также вакансионные поры
1072
НЕУСТРОЕВ и др.
р,
о п я л
о д
я а н
%
е
^
б О
р
о
п р
т е
%
а
и
д
й и
н
д
е р
С
12 10 8 6 4 2 0 -2
50 40 30
(а)
50 100 150 200 Напряжения, МПа (б)
250
20 -
10 40 90 140
Напряжения, МПа
190
240
3 -
р
о п
я 2 и2
я
а р
т н е я н о
1 -
50
0 50 100 150 Напряжения, МПа
200 250
Рис. 3. Зависимости объемной доли пор (распухания) (а) и среднего размера пор (б) в облученных образцах стали 08Х18Н10Т от растягивающего напряжения.
растягивающих напряжений в газонаполненных образцах (рис. 3а, 3б). Концентрация пор практически не менялась с ростом напряжений (рис. 4).
Параметры пористости сталей аустенитного класса изменяются с ростом повреждающей дозы так, как это было описано во введении, однако взаимосвязь концентрации пор и их размера с величиной распухания обладает большей общностью для этого класса сталей. Сравнение эволюции параметров пористости исследованной стали 08Х18Н10Т и сталей с основой Х16Н15 в присутствии растягивающих напряжений и их отсутствии (рис. 5) наглядно демонстрирует возможность применения обобщенных зависимостей для описания закономерностей развития вакан-сионной пористости в облученных аустенитных сталях. Роль напряжений в этом случае сводится к увеличению распухания и, таким образом, к смещению характеристик пористости вправо по оси абсцисс на рис. 5а и 5б.
На основе анализа данных по зависимости объемной доли пор (распухания) от напряжений (см. рис. 3а) можно оценить коэффициент Р (МПа-1) в эмпирической зависимости Б = So(1 + Ра), где Б—
Рис. 4. Зависимость концентрации пор в облученных газонаполненных образцах стали 08Х18Н10Т от растягивающего напряжения.
распухание (%) в присутствии напряжений, So — распухание в отсутствии напряжений (%), а - напряжения (МПа) [8, 11].
Принимая во внимание значения для So (а = 0) и Б (а = 206 МПа), получим значение коэффициента Р = 0.005 МПа-1, что хорошо соответствует литературным данным [8, 12, 15].
В работе исследовалось также влияние и сжимающих напряжений на параметры вакансионной пористости и распухание стали 08Х18Н10Т В силу некоторой неоднозначности полученных результатов продолжается их дополнительный анализ.
Полученный результат, когда сжимающие и растягивающие напряжения не оказали заметного влияния на распухание (увеличение Б около 10%) в газонаполненных образцах для исследования ползучести, возможно объяснить тем, что на этом уровне значений распухания проявляется эффект "исчезающей" ползучести, отмеченный в работах [8, 16]. Зависимость радиационного распухания аустенитных сталей от повреждающей дозы (линейная) можно описать также в терминах: инкубационная доза и скорость распухания.
Известно, что при невысоких температурах облучения (до 450°С) растягивающие напряжения уменьшают инкубационную дозу и почти не влияют на скорость распухания [8, 11, 12, 15]. Влияние сжимающих напряжений, как предполагалось в одной из ранних работ [17], может увеличить инкубационную дозу распухания. Полученный в нашей работе результат, показывающий примерно одинаковый уровень распухания (10—12%) в образцах без напряжений, с растягивающими напряжениями около 150 МПа и со сжимающими напряжениями около 77 МПа, позволяет предположить, что сжимающие напряжения могут влиять на скорость распухания, даже увеличивая ее при одновременном увеличении инкубационной
4
ВЛИЯНИЕ РАСТЯГИВАЮЩИХ НАПРЯЖЕНИИ
1073
(а)
А Х16Н15М3Б, 98 сна, 395°С ■ Х16Н15М3Б, 79 сна, 410°С о Х16Н15М3Б, 34 сна, 450°С
♦ Х16Н15М3Б, 23-59 сна, 350°С
• X18H10T, 36 сна, 420°С
О X18H10T, 98 сна, 420°С _1_I_I_I_
4 6 8 Распухание, %
10
12
50 45 я 40 &35
п
л 30 е
m 25
а
Р20 15 10
(б)
АХ16Ы15М3Б, ■ Х16Ы15М3Б,
♦ Х16Ы15М3Б, □ Х16Ы15М3Б, ХХ16Ы15М3Б, ОХ16Ы15М3Б, ДХ16Ы15М3Б,
• Х18Ы10Т, 36 0Х18Ы10Т, 16
i
98 сна, 395°С 79 сна, 410°С 59 сна, 350°С 53 сна,
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.