Предельная плотность энергии деформации реакторных материалов, облученных нейтронами

МИНИСТЕРСТВО ИНДУСТРИИ И НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ РК
Республиканское государственное предприятие

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЯДЕРНЫЙ ЦЕНТР РК (РГП НЯЦ РК)

Дочернее государственное предприятие

ИНСТИТУТ ядерной физики

(ДГП ИЯФ РГП НЯЦ РК)

УДК 539.21:539.12.043:669.3

Предельная плотность энергии деформации реакторных материалов, облученных нейтронами

Работа, представленная на конференцию - конкурс НИОКР

молодых ученых и специалистов

(фундаментальные исследования)

Курчатов 2011

АВТОР

Старший научный сотрудник, ИЯФ

1981

образование высшее (Восточно-Казахстанский Государственный университет, 2003г),

специальность – физика,

квалификация по диплому – инженер-физик,

работает с 2002г в лаборатории радиационного материаловедения,

общий стаж работы – 9 лет.

ТОКТОГУЛОВА Д. А.

Предельная плотность энергии деформации реакторных материалов, облученных нейтронами

Работа, представленная на конференцию - конкурс НИОКР молодых ученых и специалистов Национального ядерного центра Республики Казахстан

Дочернее государственное предприятие «Институт ядерной физики» Республиканского государственного предприятия «Национальный ядерный центр Республики Казахстан» (ДГП ИЯФ РГП НЯЦ РК).

г. Алматы, Ибрагимова 1,

факс.[phone], E-mail: diana@

РЕФЕРАТ

Работа 12 страниц, 5 рисунков, 5 таблиц, 7 источников.

Объект исследования: сталь 12Х18Н10Т и сплав 03Х20Н45М4БРЦ

Актуальность: Величина предельной плотности энергии деформации, Wc, является фундаментальной характеристикой сопротивления материала разрушению и определяет количество энергии, которое может освоить материал до разрушения. Актуальность данной тематики определяется стремлением познать физическую природу деформирования облученных реакторных материалов, что позволит расширить фундаментальные представления о механизмах разрушения облученных материалов.

Цель работы: Определение предельной плотности энергии деформаций реакторных материалов, облученных нейтронами.

Задачи исследований: Получить кривые «истинное напряжение, strue — истинная деформация, etrue» для стали 12Х18Н10Т и сплава 03Х20Н45М4БРЦ, облученных нейтронами. Определить предельную плотность энергии деформации.

Методика исследований: Механические испытания на одноосное растяжение проводили на универсальной испытательной машине Инстрон 1195.

Результат работ: Получены деформационные кривые упрочнения в координатах «истинное напряжение, strue — истинная деформация, etrue» для стали 12Х18Н10Т и сплава 03Х20Н45М4БРЦ, облученных нейтронами. Рассчитана величина предельной плотности деформаций по различным методикам и проведен сравнительный анализ полученных результатов.

Научная новизна: Впервые определены значения предельной плотности энергии деформации реакторных материалов, облученных нейтронами. Исследованы изменения Wc — предельной плотности энергии деформации на стадии равномерной и локализованной деформации.

Личный вклад автора: Проведение экспериментов, обработка данных, обобщение и анализ полученных результатов.

Публикации: 8.

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ, УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ,

ЕДИНИЦ И ТЕРМИНОВ

Wc – предельная плотность энергии деформации;

Uf — удельная энергия разрушения;

Um — удельная энергия деформации до момента локализации, МДж/м3;

Unf — удельная энергия деформации от предела прочности до разрушения, МДж/м3 (см. рис.2);

А — работа деформации, рассчитанная из инженерной диаграммы растяжения, МДж/м3;

Алок — работа равномерной деформации, рассчитанная из инженерной диаграммы растяжения, МДж/м3;

δр — относительное равномерное удлинение;

σcr — напряжение при разрушении, МПа;

ψ — относительное сужение;

S0 — начальная площадь поперечного сечения;

Sn — площадь поперечного сечения в шейке после разрушения.

Введение	6
Методика эксперимента	6
Экспериментальные результаты	8
Механические характеристики стали 12Х18Н10Т и сплава 03Х20Н45М4БРЦ	8
Энергетические характеристики стали 12Х18Н10Т и сплава 03Х20Н45М4БРЦ	9
Заключение	11
Список использованных литературных источников	11

УДК 539.21:539.12.043:669.3

Предельная плотность энергии деформации реакторных материалов, облученных нейтронами

, ,

Институт Ядерной Физики Национального Ядерного Центра Республики Казахстан

Алматы, Казахстан

Конструкционные материалы атомных реакторов работают в условиях одновременного воздействия температурных, силовых и радиационных полей. В результате, в кристаллической решетке накапливаются дефекты, которые приводят к изменению структуры и физико-механических свойств металлов и сплавов. В частности, аустенитные нержавеющие стали, использующиеся в качестве материалов внутрикорпусных устройств быстрых реакторов, под действием облучения подвержены охрупчиванию, ползучести, распуханию, и т. д. Вследствие этого ограничивается работоспособность конструкций, снижается эксплуатационный ресурс ядерного топлива и служебных характеристик ТВЭЛов. Таким образом, создание радиационно-стойких материалов в настоящее время является актуальной задачей повышения эффективности атомных реакторов, для решения которой разрабатываются различные методы.

Энергетический подход к анализу пластической деформации и разрушения является одним из наиболее общих и перспективных.

В процессе пластической деформации до разрушения материал поглощает подводимую энергию. Когда в локальном объеме материала плотность внутренней энергии достигает критической величины, то появляется микротрещина критических размеров, происходит резкая локализация деформации и разрушение. Таким образом, критерием разрушения служит предельная плотность внутренней энергии [1].

Величина предельной плотности энергии деформации, Wc, не зависит от условий нагружения и является фундаментальной характеристикой сопротивления материала разрушению [2]. Общая плотность энергии, необходимой для разрушения единицы объема металла, состоит из энергии упругой деформации, энергии пластической деформации и энергии движения трещины. При этом энергия пластической деформации намного превышает другие составляющие. Gillemot F. показал, что энергию, поглощенную единицей объема при деформации до разрушения, можно определить площадью под кривой «истинное напряжение, σист — истинная деформация, εист» [3]:

Как было показано в работах [1,3] величина Wc является практически важной, поскольку определяется величиной межатомных сил. Целью настоящей работы было экспериментальное определение предельной плотности энергии деформаций реакторных материалов, облученных нейтронами.

Исследовали аустенитную нержавеющую сталь 12Х18Н10Т и аустенитный сплав на основе никеля 03Х20Н45М4БРЦ (ЧС-43), химический состав приведен в таблице 1. Цилиндрические образцы (рис.2) после термообработки (сталь 12Х18Н10Т – отжиг 1050, 30мин, сплав 03Х20Н45М4БРЦ – отжиг 1150, 1 ч) облучали на реакторе ВВР-К (Е>0.1МэВ, Тобл<80°С). Облученные образцы подвергались естественному старению в течение 25 лет.

Испытания на одноосное растяжение проводили на универсальной испытательной машине Инстрон 1195 при температуре 20°С, скорости деформации 0,5 мм/мин. Измерения габаритных размеров рабочей части используемых образцов осуществляли с помощью цифрового микрометра «Sony» (Япония) с погрешностью ±1 мкм.

Построение истинной диаграммы напряжений сопряжено с определенными трудностями, поскольку деформирование ведется пошагово с последующим полным снятием нагрузки и измерением геометрических размеров шейки. При работе с радиоактивными образцами такой метод испытания не приемлем. Поэтому в настоящей работе в ходе эксперимента производилось фотографирование образца. Сопоставление геометрических размеров до деформации, полученных с использованием микрометра и по фотоснимку, позволяло определить цену пикселя. В дальнейшем, определение размеров образца в ходе деформации проводилось только по фотоснимкам с погрешностью < 1%.

Таблица 1 — Химический состав исследуемых материалов (вес.%)

Материал	С	Сr	Ni	Ti	Si	P	S	Mn	Mo	Nb	Fe
12Х18Н10Т	0.1	17.00	10.66	0.5	0.34	0.032	0.032	1.67			ост
03Х20Н45М4БРЦ	0.03	19.7	44.6	-	0.26	0.001	0.007	0.44	3.8	0.8	ост

Рисунок 1 — Форма и размеры исследуемого образца

Определение предельной плотности энергии деформации для сравнения также проводили по расчетному методу Gillemot F., полученному на основании экспериментальных данных:

, [МДж/м3] (1)

где σ02 — условный предел текучести; σВ — предел прочности; σcr ист — истинное сопротивление разрушению; d0 — начальный диаметр образца; dm — диаметр при максимальной нагрузке; dn — наименьший диаметр, измеренный после разрушения образца.

Для того чтобы судить о закономерностях пластического деформирования материала в различных условиях необходимо учитывать плотность энергии деформации в области равномерного и сосредоточенного течения. В методе [4] дано определение плотности энергии разрушения Uf:

Uf= Wc= Um+Unf

где Um—удельная энергия деформации до момента локализации, МДж/м3 (см. рис.2)

, (2)

Unf —удельная энергия деформации от предела прочности до разрушения, МДж/м3

, (3)

δр — относительное равномерное удлинение;

σcr — напряжение при разрушении, МПа;

ψ = (S0-Sn)/S0 — относительное сужение;

S0 — начальная площадь поперечного сечения, мм2;

Sn — площадь поперечного сечения в шейке после разрушения, мм2.

Рисунок 2 — Получение диаграммы «истинных» напряжений (справа) из инженерной диаграммы (слева) и определение составляющих Um и Unf удельной энергии разрушения (схема)

Механические характеристики стали 12Х18Н10Т и сплава 03Х20Н45М4БРЦ

Инженерные диаграммы растяжения для стали 12Х18Н10Т и сплава 03Х20Н45М4БРЦ в необлученном и облученном нейтронами до различных флюенсов состоянии представлены на рисунке 3, рассчитанные из них характеристики прочности и пластичности — в таблицах 2 и 3, соответственно.

Состояние: 1– исх., 2 – 1∙1018н/см2, 3 – 2· 1018н/см2, 4 – 5·1018н/см2, 5 – 1∙1019н/см2.

Рисунок 3 — Типичные инженерные кривые стали 12Х18Н10Т(а) и сплава 03Х20Н45М4БРЦ (б)

Таблица 2 Механические характеристики необлученной и облученной нейтронами стали 12Х18Н10Т

Флюенс, н/см2	σ02, МПа	σВ, МПа	δр, %	δ, %
Необл.	237	698	40	53
2,5·1017	242	693	37	48,3
5·1017	244	707	45	61
1∙1018	266	720	35	45,8
2·1018	271	706	38	48,5
5·1018	328	724	34	47,6
1∙1019	441	757	26	38

Таблица 3 Механические характеристики необлученного и облученного нейтронами сплава 03Х20Н45М4БРЦ

Флюенс, н/см2	σ02, МПа	σВ, МПа	δр, %	δ, %
Необл.	250	657	40	50
1∙1017	273	634	40	51,5
2·1020	516	711	31	38,7

С ростом флюенса наблюдается повышение прочностных характеристик, причем наиболее значительно изменяется предел текучести. Нейтронное облучение стали 12Х18Н10Т привело к снижению равномерной и полной деформации. Однако при Ф=5·1017 н/см2 наблюдается увеличение пластичности. В то же время сравнение механических свойств, полученных в настоящей работе и непосредственно после облучения [5], показало, что длительное естественное старение в течение 25 лет привело к повышению пластических свойств. При этом изменения тем выше, чем меньше флюенс.

Также как и для нержавеющей стали, облучение сплава 03Х20Н45М4БРЦ приводит к снижению пластичности и росту прочностных свойств — особенно предела текучести.

Энергетические характеристики стали 12Х18Н10Т и сплава 03Х20Н45М4БРЦ

Из инженерных диаграмм растяжения получены значения работы в области равномерной деформации, Алок, и работы до разрушения образца, А (табл.4). Можно видеть, что с увеличением флюенса величина работы деформации снижается. Вероятнее всего это связано с уменьшением пластичности облученного материала по сравнению с необлученным.

Таблица 4 Энергетические характеристики стали 12Х18Н10Т и сплава 03Х20Н45М4БРЦ

Материал	Флюенс, н/см2	Алок, МДж/м3 в условных координатах до σВ	А, МДж/м3 в условных координатах
Сталь 12Х18Н10Т	Необл.	234	316
2,5·1017	227	283
5·1017	265	368
1∙1018	211	277
2·1018	227	294
5·1018	212	300
1∙1019	178	257
1,3·1020	149	226
Сплав 03Х20Н45М4БРЦ	Необл.	213	268
1∙1017	202	268
2·1020	200	248

Исходя из данных, представленных в таблице 4, видно, что большая часть работы приходится на область равномерной деформации. Это связано с тем, что в предлагаемом в литературе методе расчета не учитывается изменение площади поперечного сечения образца при переходе к локализованному течению. В то же время установлено, что когда деформация сосредотачивается в малом объеме, локальные деформации достигают 150-170%. Таким образом, анализ свойств материала корректнее проводить, основываясь на кривых «истинное напряжение — истинная деформация». Такие диаграммы позволяют получить «истинные» характеристики материала, являются более физичными по сравнению с инженерными кривыми «нагрузка-удлинение» и оперируют с понятиями локализованного объема, который принимает участие в деформации.

Для всех исследуемых материалов были построены диаграммы деформационного изменения «истинных» напряжений. На рисунке 4 приведены кривые «σист — εист» для сплава 03Х20Н45М4БРЦ.

Рассчитанные из «истинных» диаграмм значения предельной плотности энергии исследуемых материалов в исходном состоянии и после нейтронного облучения до различных флюенсов представлены в таблице 5.

Рисунок 4 — Кривые «истинное напряжение — истинная деформация» для сплава 03Х20Н45М4БРЦ в исходном состоянии и после нейтронного облучения. Стрелками показан момент начала сосредоточенной деформации

Таблица 5 Значения предельной плотности энергии деформации стали 12Х18Н10Т и сплава 03Х20Н45М4БРЦ

	Флюенс, н/см2	Wc, МДж/м3	Um, МДж/м3	Unf, МДж/м3
по «истинной» диаграмме	по формуле (1)	по «истинной» диаграмме	по формуле (2)	по «истинной» диаграмме	по формуле (3)
Сталь 12Х18Н10Т	0	2133	2140		246	1907	1857
2,5·1017	2039	2109		230	1824	1743
5·1017	2234	2276		277	1971	1825
1∙1018	2188	2294		225	1979	1973
2·1018	2414	2596		225	2198	2218
5·1018	2182	2278		220	1973	1917
1∙1019	2113	2176		181	1936	1876
03Х20Н45М4БРЦ	Необл.	1146	1133		233	940	817
1∙1017	1455	1473		222	1250	1356
2·1020	1200	1200		200	1000	905

Из данных, приведенных в таблице 5, можно видеть, что экспериментальные и расчетные значения, полученные по формуле (2), достаточно близки друг к другу.

Анализ значений энергии, поглощаемой материалом на различных стадиях деформации, показал, что плотность энергии деформации до предела прочности для необлученной стали 12Х18Н10Т составляет ~10% от Wc. Для облученной нержавеющей стали с ростом флюенса величина Um/Unf уменьшается, достигая 8 % для Ф=1∙1019н/см2. Для сплава 03Х20Н45М4БРЦ, облученного нейтронами, также наблюдается тенденция к уменьшению величины Um/Unf по сравнению с необлученным. Данный факт связан с тем, что при увеличении флюенса материал постепенно утрачивает способность к равномерной деформации.

Из рисунка 5 видно, что значения плотности энергии деформации для стали 12Х18Н10Т до образования шейки и до разрушения остаются практически неизменными до флюенса 1∙1019н/см2. Данный факт подтверждается в работе [6], где показано, что латентный период простирается вплоть до дозы 1сна.

Рисунок 5 — Влияние дозы облучения на величины Um и Unf стали 12Х18Н10Т

Исследуемые материалы близки по химическому составу, а также по механическим свойствам в необлученном состоянии [5]. Полученные величины Um — плотности энергии деформации до предела прочности — схожи между собой. В то же время удельная энергия деформации от предела прочности до момента разрушения — Unf — для сплава 03Х20Н45М4БРЦ значительно меньше, чем для нержавеющей стали.

Возможно, это связано с тем, что сталь 12Х18Н10Т является метастабильной, т. е. склонна к мартенситному γ–α΄ превращению при деформации. Появление мартенсита приводит к деформационному упрочнению, в то же время повышает способность материала деформироваться без разрушения. При этом на мартенситное превращение расходуется значительное количество подводимой энергии, что приводит к увеличению энергоемкости материала, т. е. повышению Wc. Данное предположение подтверждается литературными данными (в частности,[7]).

В настоящей работе проведены механические испытания реакторных материалов — стали 12Х18Н10Т и сплава 03Х20Н45М4БРЦ — в исходном состоянии и после нейтронного облучения до различных флюенсов.

Определены значения предельной плотности энергии деформации. Рассчитаны величины плотности энергии на стадиях равномерной и локализованной деформации. Сделано предположение относительно положительной роли мартенситного превращения в увеличении Wc.

1 Иванова, и хрупкость металлических материалов / ., , . - М.: Наука.– 1968. – 215с.

2 Миллер, К. Ползучесть и разрушение / К. Миллер.– М.: Металлургия.– 1986. –119с.

3 Gillemot, L. F. Criterion of crack initiation and spreading/ L. F. Gillemot // Engineering Fracture Mechanics.–1976.–V.8.–Р.239-253.

4 Shindler, H. J. Strain energy density as the link between global and local approach to fracture / H. J. Shindler // Proc. of 10th Int. Conf. on Fracture.- Honolulu.- 2001

5 Ибрагимов, изменения механических свойств сплава 03Х20Н45М4БРЦ и стали 12Х18Н10Т, облученных нейтронами / , , // Деп. в ВИНИТИ .- 90.

6 Kim, J. W. Analysis of tensile deformation and failure in austenitic stainless steel: Part II – Irradiation dose dependence / J. W. Kim T. S Byun // JNM. – 2010. – Vol. 386. – P. 10-19.

7 Малинов, мартенсита деформации на свойства сталей Fe-Cr-Mn / , , // Металлы.– 1988.–№2.–С.78-83.

Аннотация

Предельная плотность энергии деформации реакторных материалов, облученных нейтронами

, ,

Институт Ядерной Физики Национального Ядерного Центра Республики Казахстан

Алматы, Казахстан

Исследованы сталь 12Х18Н10Т и сплав 03Х20Н45М4БРЦ в исходном аустенизированном состоянии и после нейтронного облучения до различных флюенсов. Для исследуемых материалов получены кривые «истинное напряжение – истинная деформация» и определена величина предельной плотности энергии деформации. Рассмотрено влияние дозы нейтронного облучения на способность осваивать подводимую энергию на стадиях равномерной и локализованной деформации.

Abstract

CRITICAL STRAIN ENERGY DENSITY OF REACTOR MATERIALS IRRADIATED BY NEUTRONS

Toktogulova D. A., Maksimkin O. P., Merezhko M. S.

Institute of Nuclear Physics of National Nuclear Center of Republic of Kazakhstan

Almaty, Kazakhstan

12Cr18Ni10Ti steel and 03Cr20Ni45Mo4NbBZr alloy unirradiated and irradiated up to various neutron fluencies was researched. For investigated materials “true stress – true strain” curves were obtained and critical strain energy density was determined. Neutron fluence effect on capacity to open up the input energy on the ultimate and localization stages is considered.

Андатпа

НЕЙТРОНДАРМЕН СӘУЛЕЛЕНДІРІЛГЕН РЕАКТОРЛЫҚ МАТЕРИАЛДАРДЫҢ ДЕФОРМАЦИЯ ЭНЕРГИЯСЫНЫҢ ШЕКТІК ТЫҒЫЗДЫҒЫ

; ,

Қазақстан Республикасы Ұлттық ядролық орталығының Ядролық физика институты

Қазақстан, Алматы

Бастапқы күйіндегі және әртүрлі флюенстерге дейінгі нейтрондық сәулелендіруден кейінгі 12Х18Н10Т болат пен 03Х20Н45М4БРЦ қорытпасы зерттелді. Зерттелетін материалдар үшін «шын кернеу – шын деформация» қисықтары алынды және деформация энергиясының шектік тығыздығының шамасы анықталды. Нейтрондық сәулелендіру дозасының деформацияның бірқалыпты және оқшауланған сатыларында келтірілетін энергияны игеру қабілеттілігіне ықпалы қарастырылды.