Влияние нейтронного облучения на температурно-скоростные изменения характеристик прочности и пластичности сплава 03Х20Н45М4БРЦ и стали 12Х18Н10Т
Изучено влияние облучения нейтронами (1,8.10²²…2.10²⁴ нейтр./м²) на особенности процессов пластической деформации и механические свойства железохромоникелевых сплавов типа 12Х18Н10Т и 03Х20Н45М4БРЦ при температурах 293…925 К. Определены эффективные энергии активации процессов пластической деформации...
Gespeichert in:
| Datum: | 2003 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2003
|
| Schriftenreihe: | Вопросы атомной науки и техники |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/110862 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Влияние нейтронного облучения на температурно-скоростные изменения характеристик прочности и пластичности сплава 03Х20Н45М4БРЦ и стали 12Х18Н10Т / О.П. Максимкин, О.В. Тиванова // Вопросы атомной науки и техники. — 2003. — № 3. — С. 35-43. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-110862 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1108622017-01-07T03:04:29Z Влияние нейтронного облучения на температурно-скоростные изменения характеристик прочности и пластичности сплава 03Х20Н45М4БРЦ и стали 12Х18Н10Т Максимкин, О.П. Тиванова, О.В. Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах Изучено влияние облучения нейтронами (1,8.10²²…2.10²⁴ нейтр./м²) на особенности процессов пластической деформации и механические свойства железохромоникелевых сплавов типа 12Х18Н10Т и 03Х20Н45М4БРЦ при температурах 293…925 К. Определены эффективные энергии активации процессов пластической деформации. Вивчено вплив опромінення нейтронами (1,8.10²²…2.10²⁴ нейтр./см2) на особливості процесів пластичної деформаії та механічні властивості залізохромонікелевих сплавів типу 12Х18Н10Т та 03Х20Н45М4БРЦ при температурах 293...925 К. Визначені ефективні енергії активації процесів пластичної деформації. Neutron irradiation influence (1,8.10²²…2.10²⁴ n/cm2 ) on the characteristic properties of plastic deformation and on the mechanical properties of alloys of type 08Cr18Ni10T and 03Cr20Ni45Mn4BRC at temperatures 293…925 K. The effective energies of plastic deformation activation are determined. 2003 Article Влияние нейтронного облучения на температурно-скоростные изменения характеристик прочности и пластичности сплава 03Х20Н45М4БРЦ и стали 12Х18Н10Т / О.П. Максимкин, О.В. Тиванова // Вопросы атомной науки и техники. — 2003. — № 3. — С. 35-43. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 1562-6016 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/110862 539.12.04 ru Вопросы атомной науки и техники Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах |
| spellingShingle |
Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах Максимкин, О.П. Тиванова, О.В. Влияние нейтронного облучения на температурно-скоростные изменения характеристик прочности и пластичности сплава 03Х20Н45М4БРЦ и стали 12Х18Н10Т Вопросы атомной науки и техники |
| description |
Изучено влияние облучения нейтронами (1,8.10²²…2.10²⁴ нейтр./м²) на особенности процессов пластической деформации и механические свойства железохромоникелевых сплавов типа 12Х18Н10Т и 03Х20Н45М4БРЦ при температурах 293…925 К. Определены эффективные энергии активации процессов пластической деформации. |
| format |
Article |
| author |
Максимкин, О.П. Тиванова, О.В. |
| author_facet |
Максимкин, О.П. Тиванова, О.В. |
| author_sort |
Максимкин, О.П. |
| title |
Влияние нейтронного облучения на температурно-скоростные изменения характеристик прочности и пластичности сплава 03Х20Н45М4БРЦ и стали 12Х18Н10Т |
| title_short |
Влияние нейтронного облучения на температурно-скоростные изменения характеристик прочности и пластичности сплава 03Х20Н45М4БРЦ и стали 12Х18Н10Т |
| title_full |
Влияние нейтронного облучения на температурно-скоростные изменения характеристик прочности и пластичности сплава 03Х20Н45М4БРЦ и стали 12Х18Н10Т |
| title_fullStr |
Влияние нейтронного облучения на температурно-скоростные изменения характеристик прочности и пластичности сплава 03Х20Н45М4БРЦ и стали 12Х18Н10Т |
| title_full_unstemmed |
Влияние нейтронного облучения на температурно-скоростные изменения характеристик прочности и пластичности сплава 03Х20Н45М4БРЦ и стали 12Х18Н10Т |
| title_sort |
влияние нейтронного облучения на температурно-скоростные изменения характеристик прочности и пластичности сплава 03х20н45м4брц и стали 12х18н10т |
| publisher |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| publishDate |
2003 |
| topic_facet |
Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/110862 |
| citation_txt |
Влияние нейтронного облучения на температурно-скоростные изменения характеристик прочности и пластичности сплава 03Х20Н45М4БРЦ и стали 12Х18Н10Т / О.П. Максимкин, О.В. Тиванова // Вопросы атомной науки и техники. — 2003. — № 3. — С. 35-43. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
| series |
Вопросы атомной науки и техники |
| work_keys_str_mv |
AT maksimkinop vliânienejtronnogooblučeniânatemperaturnoskorostnyeizmeneniâharakteristikpročnostiiplastičnostisplava03h20n45m4brcistali12h18n10t AT tivanovaov vliânienejtronnogooblučeniânatemperaturnoskorostnyeizmeneniâharakteristikpročnostiiplastičnostisplava03h20n45m4brcistali12h18n10t |
| first_indexed |
2025-07-08T01:15:42Z |
| last_indexed |
2025-07-08T01:15:42Z |
| _version_ |
1837039452542730240 |
| fulltext |
УДК 539.12.04
ВЛИЯНИЕ НЕЙТРОННОГО ОБЛУЧЕНИЯ
НА ТЕМПЕРАТУРНО-СКОРОСТНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ
ХАРАКТЕРИСТИК ПРОЧНОСТИ
И ПЛАСТИЧНОСТИ СПЛАВА 03Х20Н45М4БРЦ И СТАЛИ 12Х18Н10Т
О.П. Максимкин, О.В. Тиванова
Институт ядерной физики НЯЦ РК, г. Алматы, Казахстан
Изучено влияние облучения нейтронами (1,8.1022…2.1024 нейтр./м2) на особенности процессов пластической дефор-
мации и механические свойства железохромоникелевых сплавов типа 12Х18Н10Т и 03Х20Н45М4БРЦ при температурах
293…925 К. Определены эффективные энергии активации процессов пластической деформации.
ВВЕДЕНИЕ
Известно, что уровень прочностных и пластиче-
ских свойств аустенитных нержавеющих сталей и
сплавов как в необлученном, так и в облученном со-
стояниях снижается с повышением температуры ис-
пытания [1]. Полагают, в частности, что уменьше-
ние пластичности в интервале 293…423 К связано с
явлением динамического деформационного старе-
ния (ДДС), по аналогии с материалами с ОЦК-ре-
шеткой [2,3].
В то же время показано, что в этом диапазоне
температур большую роль в изменении пластично-
сти аустенитной хромоникелевой стали играет так-
же мартенситное превращение, индуцированное де-
формацией [4]. В этой связи представляет опреде-
ленный интерес сравнение температурных зависи-
мостей механических свойств таких аустенитных
материалов, в которых при деформации превалиру-
ют процессы или ДДС, или мартенситного превра-
щения. Это способствовало бы выяснению роли
того или иного механизма в низкотемпературном
радиационном охрупчивании реакторных материа-
лов.
Исходя из вышесказанного, в данной работе в ка-
честве объекта для исследования был выбран сплав
03Х20Н45М4БРЦ (ЧС-43), а для сравнения - сталь
12Х18Н10Т, которая, как известно, в аустенизиро-
ванном состоянии метастабильна и при холодном
деформировании претерпевает γ→α′ (γ→ε→α′)
переход.
Установлено также, что с повышением темпера-
туры испытания стали 12Х18Н10Т интенсивность
мартенситного превращения в процессе деформации
резко уменьшается и появляются признаки ДДС [4].
С другой стороны, высокое содержание никеля в
высоконикелевом сплаве ЧС-43 делает его стабиль-
ным по отношению к превращению даже при отри-
цательных температурах.
В настоящей работе приводятся результаты экс-
периментов по изучению влияния реакторного облу-
чения, температуры и скорости растяжения на физи-
ко-механические свойства аустенитных нержавею-
щей стали 12Х18Н10Т и сплава 03Х20Н45М4БРЦ,
деформированных в интервале 295…825 К.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Эксперименты проводили на микрообразцах
(рис.1), термообработка части которых заключалась
в нагреве до 1425 К в вакууме, выдержке в течение 1
ч и охлаждении в воде. Другая часть стальных об-
разцов была аустенизирована при температуре
1325 К 30 мин.
Рис.1. Форма и размеры исследуемого образца
Термообработанные образцы облучали в актив-
ной зоне реактора ВВР-К НЯЦ РК (Е=0,1 МэВ) при
температуре не выше 355 К до флюенсов:
I. Сталь 12Х18Н10Т (1325 К, 30 мин) – 1,8⋅
1022 и 1,8⋅1023 нейтр./м2.
II. Сплав Х20Н45М4БРЦ (1425 К, 1 ч) –
5⋅1024 нейтр./м2.
III. Сталь 12Х18Н10Т (1425 К, 1 ч – 5⋅1022 и 2⋅
1024 нейтр./м2.
Механические испытания «на растяжение» со
скоростями 2,5⋅10-3 и 2,5⋅10−4 с-1 необлученных и об-
лученных образцов проводили при температурах
295…825 К на лабораторной разрывной машине,
размещенной в «горячей» камере [5]. Кроме того,
часть образцов для контроля испытывали на более
чувствительной и жесткой установке «Инстрон
1195». Перед каждым опытом образцы выдерживали
при температуре испытания 20 мин. Накопление и
обработку данных, а также анализ кривых упрочне-
ния осуществляли с помощью измерительно-вычис-
лительного комплекса на базе ПК АТ [6]. По окон-
чании растяжения с помощью измерителя феррофа-
зы Ф.1.053 определяли содержание ферромагнитной
фазы в зоне разрушения образца и вне ее.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
______________________________________________________________________________
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2003. № 3.
Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (83), с. 35-43.
35
I. Сталь 12Х18Н10Т (1325 К, 30 мин). На рис.2,а
в качестве примера приведены диаграммы растяже-
ния облученных образцов стали 12Х18Н10Т, из ко-
торых видно, что при низких температурах они
гладкие, а с ее повышением до некоторой критиче-
ской, зависящей от скорости деформации, включают
в себя зубчатые участки, отличающиеся протяжен-
ностью, расположением на кривой упрочнения и ви-
дом зубчиков (см. рис.2,б,в). Рассчитанные из диа-
грамм растяжения характеристики прочности и пла-
стичности приведены в табл.1 и на рис.3, откуда
видно, что с ростом температуры испытания меха-
нические свойства необлученной и облученной ней-
тронами стали ухудшаются.
а б в
Рис.2. Диаграммы растяжения (а); выделенные из диаграмм растяжения участки (б, в) проявления
эффекта Портевена Ле Шателье для облученной нейтронами стали 12Х18Н10Т (1,8⋅1023 нейтр./м2,
ε = 2,5⋅10-4с-1). Цифры у кривых – температура испытания в К
______________________________________________________________________________
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2003. № 3.
Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (83), с. 35-43.
36
Рис.3. Температурная зависимость пластичности
стали 12Х18Н10Т (1325 К, 30 мин):
1–необлученные; 2 – облученные флюенсом 1,8⋅
1022 нейтр./м2; 3 – облученные флюенсом 1,8⋅1024
нейтр./м2 образцы
Наиболее интенсивное изменение предела теку-
чести σ0,2 наблюдается при низких (до 425 К) темпе-
ратурах. Так, для стали, облученной флюенсом 1,8⋅
1023 нейтр./м2, эффект радиационного упрочнения к
425 К снижается более чем в два раза и практически
исчезает в районе 700 К. Для более высоких темпе-
ратур (770…800 К), соответствующих отжигу ра-
диационных дефектов в аустенитной нержавеющей
стали, значения σ0,2 не зависят от интегральной дозы
облучения.
У необлученных образцов низкотемпературное
уменьшение предела текучести незначительно по
сравнению с облученными, а в области 450…750 К
величина σ0,2 сохраняется на одном уровне. Измене-
ние на порядок скорости деформации не оказало су-
щественного влияния на величину предела текуче-
сти. Облучение стали нейтронами мало повлияло на
предел прочности σв; сравнительно слабое воздей-
ствие на него оказало и изменение скорости дефор-
мации. С ростом температуры испытания σв умень-
шается, причем наиболее интенсивно в области
290…580 К, затем до 700…750 К значения предела
прочности остаются практически неизменными, по-
сле чего вновь наблюдается некоторое его сниже-
ние. При уменьшении скорости деформации верхняя
граница области интенсивного снижения предела
прочности смещается в сторону меньших темпера-
тур.
Температурные изменения характеристик пла-
стичности нержавеющей хромоникелевой стали бо-
лее существенны по сравнению с прочностными.
Основное уменьшение значения равномерного отно-
сительного удлинения δр необлученного материала
наблюдается в области температур 290…470 К. Од-
нако с дальнейшим ростом температуры скорость
снижения пластичности не только уменьшается, но
даже наблюдается некоторое увеличение δр.
Облучение нейтронами привело к уменьшению
пластичности стали в указанном диапазоне тем
больше, чем больше флюенс, но уже при 650…700 К
различие в величинах δр, связанное с радиационным
воздействием, исчезает. Влияние скорости растяже-
ния на значения равномерной деформации выраже-
но слабо и заключается в том, что верхняя граница
области резкого падения пластичности несколько
смещается в сторону низких температур с уменьше-
нием скорости деформации.
Таблица 1
Температурные изменения предела текучести (МПа) необлученной и облученной нейтронами
стали 12Х18Н10Т (1320 К, 30 мин)
Т, К 298 323 343 373 393 423 443 473 493 523 543 573 593 623 643 673 693 723 743 773 793 823 843 873
V
=
0
,1
6
мм
/м
ин Необлуч. 225 220 – 190 – 210 170 205 – – 190 – 170 175 150 160 – 140 160 170 150 125 145 160
1,8⋅1022
нейтр./м2 410 340 350 250 310 290 260 255 250 220 230 205 220 215 – 190 170 165 – 200 160 – – 170
1,8⋅1023
нейтр./м2 490 450 450 360 370 400 370 380 365 – 310 250 300 280 260 250 205 210 200 140 170 – 150 120
V
=
1
,6
м
м/
ми
н Необлуч. 260 230 225 220 175 180 180 190 180 175 180 150 170 190 150 160 220 180 160 170 170 140 150 130
1,8⋅1022
нейтр./м2 400 280 250 330 290 340 310 275 250 250 235 220 250 250 220 200 250 180 180 140 230 160 200 –
1,8⋅1023
нейтр./м2 510 460 430 420 390 380 410 390 380 365 350 340 330 320 320 250 220 220 250 200 200 200 180 200
______________________________________________________________________________
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2003. № 3.
Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (83), с. 35-43.
37
II. Сталь 12Х18Н10Т (1425 К, 1 ч). В зависимо-
сти от температуры испытания кривые «нагрузка -
удлинение» были или гладкие, или с зубчатыми
участками в области равномерной деформации. У
необлученных, а также облученных флюенсом 5⋅
1022 нейтр./м2 образцов зубчатые диаграммы зареги-
стрированы в двух температурных интервалах
(473…523 К и 623…823 К), тогда как у образцов,
облученных флюенсом 2⋅1024 нейтр./м2, – в одном
(523…823 К). Эти зубчатые участки отличаются
друг от друга и могут быть характеризованы типом
зубцов, значениями деформаций и напряжений, со-
ответствующих началу (εН ,σН) и концу (εк, σк) зубча-
того участка, а также его протяженностью (εк–εн). С
изменением температуры испытания и условий об-
лучения меняется тип зубцов и протяженность зуб-
чатого участка. Наблюдавшиеся в эксперименте зуб-
цы в соответствии с [7] можно свести к трем базо-
вым типам А, В, С (рис.4). Следует при этом отме-
тить, что на кривых упрочнения редко присутство-
вали зубчики какого-либо одного типа и в каждом
конкретном случае определяли превалирующий тип
зубцов или их комбинацию.
Результаты идентифицирования зубцов приведе-
ны в табл.2, из которой видно, что при температурах
473 и 523 К на кривых упрочнения всех образцов
преобладают, в основном, зубчики сравнительно
простого типа А, тогда как частые и регулярные зуб-
цы типа С появляются при Т>573 К. Зубцы типа В
наблюдаются только в комбинациях с А и С. На диа-
граммах образцов, деформированных при высоких
температурах (723…823 К), доминировала комбина-
ция зубцов типа А и В. Реакторное облучение не
привело к образованию каких-либо качественно но-
вых типов зубцов или их комбинаций.
Что касается протяженности зубчатого участка,
то для необлученной и облученной флюенсом 5⋅1022
нейтр./м2 стали с ростом температуры величина (εк–
εн) сначала увеличивается, достигая максимума при
температурах 473 и 673…723 К, а затем уменьшает-
ся до нуля. Для флюенса 2⋅1024 нейтр./м2 на темпера-
турной зависимости (εк–εн) ниспадающие участки не
наблюдались.
Рис.4. Различные типы зубчиков на кривых упрочне-
ния (схема)
Дальнейшая обработка диаграмм растяжения,
проводившаяся с учетом того, что они достаточно
хорошо описываются уравнением Р=С(∆l)n, где Р –
текущая нагрузка, l – удлинение, D – коэффициент,
n – показатель деформационного упрочнения [8],
выявила следующее. Кривые упрочнения в логариф-
мических координатах представляют собой лома-
ную линию с несколькими, чаще всего с тремя,
практически прямолинейными участками (рис.5).
Рис.5. Нормализованные кривые упрочнения стали
12Х18Н10Т: 1 – 2⋅1024 нейтр./м2, 293 К; 2 – 5⋅1022
нейтр./м2, 293 К ; 3 – 2⋅1024 нейтр./м2, 573 К
Их протяженность и наклон к оси деформаций
(т.е. значения ni) зависят от температуры испытания
и флюенса облучения. Найденные из экспериментов
значения n2, соответствующие наиболее ярко выра-
женному второму прямолинейному участку, приве-
дены в табл.2, из которой следует, что они изменя-
ются в пределах 0,3…0,5. При этом, если с ростом
температуры показатель деформационного упрочне-
ния, соответствующий второму участку, увеличива-
ется, то с ростом флюенса, напротив, – уменьшает-
ся. Общим как для необлученных, так и для облу-
ченных образцов является то обстоятельство, что n2
увеличивается в диапазоне 293…379 и 523…673 К, а
в районе 673…723 К достигает максимального зна-
чения; при других температурах величина n2 практи-
чески неизменна.
Таблица 2
Тип зубчиков, значения коэффициента (К5%) и показателя (n2) деформационного упрочнения при
различных температурах испытания и степени облучения стали
Состояние
материала Параметры Температура испытания, К
293 373 473 523 573 623 673 723 773 823
Необлучен. Тип зубчиков – – А А – А С А А+В Нет
______________________________________________________________________________
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2003. № 3.
Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (83), с. 35-43.
38
n
К5%, МПа
0,32
33,5
0,40
35,0
0,45
37,0
0,42
35,5
0,40
39,0
0,40
37,5
0,45
42,5
0,52
28,5
0,45
49,5
дан-
ных
Облучен.
5⋅1022
нейтр./м2
Тип зубчиков
n
К5%, МПа
–
0,2
29,0
–
0,33
26,5
А
0,38
33,0
А
0,38
26,5
–
0,43
32,0
С
0,43
30,0
А
0,45
32,5
А+В
0,50
35,0
А+В
0,50
33,0
0,37
40,0
Облучен.
2⋅1024
нейтр./м2
Тип зубчиков
n
К5%, МПа
–
0,15
12,5
–
0,20
15,0
А
0,22
17,0
А
0,25
20,0
А+В
0,27
24,0
С
0,32
26,0
А
0,30
32,0
А
0,32
34,0
Нет
дан-
ных
А+В
0,30
35,0
Примечание. Прочерк означает отсутствие зубчиков на диаграммах растяжения.
Определение значений коэффициентов деформа-
ционного упрочнения (К5%) для всех диаграмм рас-
тяжения (см. табл.2) показало значительное их воз-
растание выше 500 К у облученных и необлученных
образцов.
Таким образом, сравнивая температурные зави-
симости коррелирующих параметров n и К5, можно
заключить, что реакторное облучение не привело к
качественному изменению величин, характеризую-
щих ДДС. Этот процесс наблюдается в одной, ши-
рокой температурной области (523…823 К) для об-
лученной флюенсом 2⋅1024 нейтр./м2 и в двух обла-
стях (473…523 и 623…823 К) для необлученной ста-
ли, причем без заметного снижения пластичности.
Основные результаты механических испытаний
показаны на рис.6 в виде температурных зависимо-
стей характеристик прочности и пластичности. Вид-
но, что реакторное облучение привело к увеличению
предела текучести стали σ0,2 и незначительному из-
менению временного сопротивления разрушению σ
в. Так, при комнатной температуре предел текучести
для флюенса 2⋅1024 нейтр./м2 увеличился в 2,4 раза.
0
100
200
300
400
500
600
700
800
250 350 450 550 650 750 850
Тисп., К
σ т, σ в,
МПа
-1
-2
-3
0
10
20
30
40
50
60
250 350 450 550 650 750 850
Тисп., К
δр
, %
-1
-2
-3
а б
Рис.6. Температурная зависимость пределов прочности и текучести (а) и пластичности (б) стали
12Х18Н10Т (1425 К, 1 ч: 1 – необлученные; 2 – облученные флюенсом 5⋅1022 нейтр./м2; 3 – облученные флю-
енсом 2⋅1024 нейтр./м2 образцы
С ростом температуры испытания наблюдается
непрерывное уменьшение степени упрочнения необ-
лученного и облученного материалов, и выше 623 К
их значения практически совпадают. Обращает на
себя внимание некоторое повышение предела теку-
чести необлученной стали в интервале 650…723 К.
Следует отметить, что предел прочности как об-
лученных, так и необлученных образцов после неко-
торого снижения в области 295…475 К имеет прак-
тически одинаковое значение для каждой темпера-
туры испытания в интервале 473…673 К. При
рассмотрении температурной зависимости пластич-
ности также можно наблюдать область сравнитель-
норезкого уменьшения значений равномерного
удлинения (295…475 К) и область (475…825 К), в
которой его значения практически не изменяются.
Отметим лишь некоторое увеличение пластичности
при температурах 575 К у необлученной стали и 675
К у стали, облученной флюенсом 5⋅1022 н/м2.
Ш. Сплав 03Х20Н45М4БРЦ (1425 К, 1 ч). Из
диаграмм растяжения образцов сплава ЧС-43, кото-
рые приведены на рис.7, следует, что их вид зависит
от температуры испытания.
Так, для необлученного сплава в интервале тем-
ператур 295…575 К диаграммы растяжения гладкие,
а выше 575 К на кривых течения появляются зубчи-
ки. При этом отметим, что деформация, соответ-
ствующая началу участка прерывистого течения,
уменьшается с ростом температуры. Независимо от
условий эксперимента вид зубцов остается неизмен-
ным и их можно отнести к типу С. С увеличением
степени деформации амплитуда и частота колеба-
ний нагрузки возрастают, так что зубцы наибольше-
го размера регистрируются при удлинениях, соот-
ветствующих условному пределу прочности.
В облученном материале по сравнению с необлу-
ченным область прерывистого течения смещена в
сторону более низких температур и регистрируется
выше 470 К. Вместе с тем облучение не оказало су-
щественного влияния на закономерности проявле-
ния и тип наблюдаемой зубчатости.
Показатель деформационного упрочнения n2 для
______________________________________________________________________________
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2003. № 3.
Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (83), с. 35-43.
39
необлученного сплава ЧС-43 с ростом температуры
испытания остается практически неизменным, в то
время как в облученном материале его значение рас-
тет и достигает величины необлученного при 675 К.
Рассчитанные из диаграмм растяжения характери-
стики прочности и пластичности высоконикелевого
сплава приведены в табл.3.
а б
Рис.7. Диаграммы растяжения образцов необлученного (а) и облученного нейтронами (5⋅1024 нейтр./м2) (б)
сплава 03Х20Н45М4БРЦ. Цифры у кривых – температура испытания в К
Обсуждение закономерностей температурных
изменений механических свойств сплава ЧС-43
удобно проводить, разбив интервал исследованных
температур на два: 295…475 и 475…675 К в соот-
ветствии с различным видом диаграмм растяжения.
В области 295…475 К характеристики прочности
необлученного и облученного материалов с ростом
температуры испытания уменьшаются, причем у
подвергнутых облучению образцов гораздо интен-
сивнее. Уменьшается с температурой также пла-
стичность необлученных образцов, тогда как у облу-
ченных она практически не изменяется.
В области температур 475…675 К уменьшение
предела текучести как необлученного, так и облу-
ченного сплавов замедляется, а предел прочности
остается практически неизменным. Общее относи-
тельное удлинение сохраняется на одном уровне –
до 573 К, затем у необлученного материала оно
несколько возрастает. При этом равномерное удли-
нение необлученного сплава монотонно увеличива-
ется на 30%, тогда как облученного сначала увели-
чивается на 15% по сравнению с ее значением для
475 К, но выше 575 К уменьшается до прежнего
уровня.
Из табл.3 видно, что в областях температур, где
наблюдаются зубчики, в облученном сплаве увели-
чивается коэффициент деформационного упрочне-
ния К5% (средний прирост составил 65%).
Полученные результаты свидетельствуют о том, что
в сплаве ЧС-43 при температурах 475…675 К
протекает процесс динамического деформационного
старения, который тем не менее не приводит к
деградации механических свойств сплава.
Сравнивая (см. табл.2) данные для сплава
03Х20Н45М4БРЦ и результаты для стали
12Х18Н10Т (см.рис.6), можно отметить, что при 295
К характеристики прочности и пластичности обоих
аустенитных материалов практически одинаковы
как до, так и после облучения.
Таблица 3
Температурные изменения механических характеристик сплава 03Х20Н45М4БРЦ до и после
облучения флюенсом 2⋅1024 нейтр./м2
Параметр Состояние 295 К 425 К 475 К 525 К 575 К 625 К 675 К
σ0,2,
МПа
Необлуч. 220 210 200 200 160 180 160
Облучен. 520 340 285 250 210 190 190
σв,
МПа
Необлуч. 640 580 560 550 540 530 530
Облучен. 690 560 540 520 520 520 520
δр, %
Необлуч. 42 37 37 43 43 45 48
Облучен. 32 37 35 43 40 35 37
______________________________________________________________________________
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2003. № 3.
Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (83), с. 35-43.
40
δп, %
Необлуч. 52 48 44 46 45 52 57
Облучен. 40 45 47 50 46 44 44
n2
Необлуч. 0,32 0,30 0,33 0,31 0,35 0,26 0,32
Облучен. 0,14 0,27 0,27 0,27 0,27 0,28 0,31
К5%,
МПа
Необлуч. 3350 2300 1900 2050 2650 1600 1900
Облучен. 730 870 1300 1350 2600 2050 2100
С ростом температуры испытания механические
свойства ухудшаются, причем скорость изменения
характеристик пластичности стали 18-10 с темпера-
турой значительно выше, чем сплава ЧС-43. Напри-
мер, в интервале 295…475 К эффект снижения пла-
стичности для необлученной стали составил 49%, у
облученной – 38%, в то время как для сплава соот-
ветствующие значения оказались равными 12 и 9%
соответственно. Такое значительное отличие в тем-
пературном изменении пластических свойств иссле-
дуемых материалов можно объяснить их различной
стабильностью по отношению к мартенситному
превращению. Фазовый переход, протекающий при
деформировании стали, вероятно, способствует ре-
лаксации пиковых напряжений, уменьшает вероят-
ность локализации течения и в случае оптимальной
кинетики превращения приводит к повышению
уровня пластических свойств тем интенсивнее, чем
ниже температура испытания. Поскольку в сплаве
ЧС-43 мартенситное превращение не происходит, то
температурное изменение характеристик пластично-
сти выражено значительно слабее.
Таким образом, при температурах 295…675 К
уровень механических свойств сплава
03Х20Н45М4БРЦ сохраняется высоким даже после
облучения нейтронами до флюенса 2⋅1024 нейтр./м2.
Уменьшение с ростом значений характеристик
прочности и пластичности сплава менее выражено,
чем у стали 12Х18Н10Т. Это обусловлено, с одной
стороны, отсутствием в деформированном сплаве
ЧС-43 мартенситного γ→α-превращения, а с другой,
– тем обстоятельством, что процесс ДДС практиче-
ски не увеличивает степень его низкотемпературно-
го охрупчивания и поддерживает высокими характе-
ристики прочности.
IV. Определение эффективной энергии актива-
ции процессов, протекающих в низко- и высокотем-
пературной областях.
В температурном интервале 570…670 К пределы
текучести необлученной и облученной нержавею-
щей стали несколько возрастают, и появление этого
локального максимума хорошо коррелирует с низ-
котемпературной областью регистрации прерыви-
стого течения на диаграммах растяжения. Другой
локальный максимум σ0,2 текучести обнаруживается
в области 670…870 К, где также наблюдались диа-
граммы растяжения с зубчатыми участками, причем
интенсивность зубчатости намного выше, чем в низ-
котемпературном интервале.
По нашему мнению, эти особенности на темпе-
ратурной зависимости пределов текучести и диа-
граммах растяжения можно связать с эффектом ди-
намического деформационного старения, обуслов-
ленного взаимодействием между подвижными дис-
локациями и атомами внедрения и замещения. С це-
лью подтверждения этой гипотезы были проведены
расчеты эффективной энергии активации Еа процес-
сов, протекающих в низко- и высокотемпературной
областях. Для этого были использованы экспери-
ментальные данные по температурной зависимости
предела текучести (см. табл. 1). При этом в случае
сравнительно низких (до 470 К) температур испыта-
ния использовали представления о термоактиваци-
онном характере пластической деформации и мето-
дику определения Еа, предложенную Ярошевичем
В.Д., в основном, для ОЦК-металлов. В [9] получено
аналитическое выражение для энергии активации
процесса пластической деформации в виде
Еа=Е0 ln
( )
02,0
0т 0
σ−σ
σ−σ
, (1)
где σт(0) – предел текучести при 0 К; σ0,2 – предел
текучести при комнатной температуре; 0 – темпера-
турно-независимая компонента предела текучести;
[σт(0)−σ0] – эффективное напряжение течения при
Т=0 К.
В то же время для повышенных температур ис-
пытания, когда на кривой течения при некоторой
критической степени деформации εн появлялись зуб-
чики (см.рис.4), величину Еа находили, строя графи-
ки температурной зависимости εн в координатах lnε
н–ƒ(1/Т). Для низких температур испытания графи-
чески дифференцировали кривые температурной за-
висимости пределом текучести, полученные в экспе-
риментах с двумя различными скоростями растяже-
ния образцов стали 18-10 и сплава ЧС-43. Анализ
результатов дифференцирования показал, что как
для стали, так и для сплава выполняются соотноше-
ния:
( ) constТ
2,0
=ε∆
σ∆
= –m (σ0,2 – σ0),
где σ0,2 – предел текучести; σ0 – некоторое напряже-
ние, не зависящее от ε и Т; m – const при ε = const.
На рис.8,а в качестве примера расчета Еа приве-
дена зависимость скорости изменения предела теку-
чести с ростом температуры от величины самого
предела текучести для стальных образцов, облучен-
ных флюенсом 1,8⋅1023 нейтр./м2 и деформирован-
ных со скоростью растяжения 0,16 мм/мин. Видно,
что экспериментальные точки с учетом разброса
значений для различных образцов ложатся на пря-
мую, отсекающую при ∂σ/∂Т=0 отрезок 290 МПа. С
использованием этого значения на рис.8,б в полуло-
______________________________________________________________________________
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2003. № 3.
Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (83), с. 35-43.
41
гарифмических координатах построен график зави-
симости предела текучести от температуры испыта-
ния, из которого следует, что экспериментальные
данные хорошо описываются выражением:
ln(σ0,2–290 [МПа])= ln [σт(0)–σ0] – mТ,
где m=
aE
R
⋅
ε
ε
0 = С⋅ -1
0Е ; R – газовая постоянная.
а б в
Рис.8. Графики, иллюстрирующие алгоритм определения эффективной энергии активации
процессов (а и б) и ее температурную зависимость (в) (сталь 12Х18Н10Т, 1,8⋅1023 нейтр./м2,
0,16 мм/мин)
______________________________________________________________________________
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2003. № 3.
Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (83), с. 35-43.
42
Учитывая, что значение Е0 хорошо соотносится с
температурой плавления, то в пределах ошибки экс-
перимента можно допустить, что Е0≈RТпл и найти
значения σТ(0)=4,7 ГПа и m=0,009 К-1.
Подставляя найденные значения в (1) получаем,
что Е295=10 ккал/моль, Е600=20 ккал/моль и темпера-
турная зависимость предела текучести стали, облу-
ченной флюенсом нейтронов 1,8⋅1023 нейтр./м2, опи-
сывается выражением:
ln(σ0,2–290) = 8,4 – 0,0099Т.
Аналогичные экспериментальные кривые были
получены для всех исследованных стальных образ-
цов, а рассчитанные из них значения энергий акти-
вации приведены в табл.4.
Наряду с этими данными в табл.4 представлены
также величины энергий активаций процесса преры-
вистого течения, который регистрируется в интерва-
ле температур 525…875 К.
С этой целью были использованы эксперимен-
тальные значения величин критической степени де-
формации εн (рис.9), а энергию активации находили
из выражения:
Еа = R (µ+β) ln ( )
21n
n
T
1
T
1/ −
2
1
ε
ε
,
где µ и β – константы, определяющие скорость об-
разования вакансий и дислокаций при пластической
деформации, причем
µ+β = ln
( )
( )0
1
0
1 ln/v
v
vn
vn
ε
ε
,
и для нашего случая рассчитанные значения оказа-
лись практически одинаковыми и равными 2,6.
Рис.9. Температурная зависимость критической
деформации появления зубчатости в стали
12Х18Н10Т (отжиг при 1325 К, ε = 2,5⋅10-3с-1); х –
необлученной; ∆ – 1,8⋅1022 нейтр./см2; – 1,8⋅1023
нейтр./см2
Соответствующие графики Аррениуса для необ-
лученных и облученных стальных образцов приве-
дены на рис.10.
Рис.10. Графики Аррениуса для необлученной (х) и
облученной () (1,8⋅1024 нейтр./м2) стали
12Х18Н10Т
Из рисунка видно, что в стали 12Х18Н10Т реги-
стрируются две области протекания ДДС: низкотем-
пературная и высокотемпературная, в каждой из ко-
торых интенсивность эффекта ПЛШ имеет ярко вы-
раженный максимум. Рассчитанная из линеаризиро-
ванных температурных зависимостей критической
деформации эффективная энергия активации в пер-
вой области ДДС равна 85 КДж/моль, что соответ-
ствует значению энергии активации миграции угле-
рода или азота в аустените. Аналогичным образом
найденное для высокотемпературной области значе-
ние Еа оказалось равным 270 КДж/моль, что близко
к энергии активации миграции хрома в аустените.
Можно сделать предположение, что ДДС в стали
18−10 в низкотемпературной области обуславлива-
ется сегрегацией на подвижных дислокациях атомов
углерода или азота, а в высокотемпературной –
происходит взаимодействие между движущимися
дислокациями и диффундирующими к ним атомами
хрома.
Таблица 4
Средние кажущиеся энергии активации [ккал/моль] процессов, протекающих
при деформации необлученных и облученных нейтронами образцов стали 12Х18Н10Т
Состояние, скорость деформации
Материал, термообработка, интервал температур
12Х18Н10Т, 1325 К, 30 мин
Еа
293…450 К
Еа
450…600 К
Еа
473…723 К
Еа
723…873 К
Необлучен.
0,16 мм/мин 7 13 19 88
1,8⋅1022 нейтр./м2
0,16 мм/мин 9 20 21 79
1,8⋅1023 нейтр./м2
0,16 мм/мин 10 20 20 67
Необлучен. 13 19 29 47
______________________________________________________________________________
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2003. № 3.
Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (83), с. 35-43.
43
1,6 мм/мин
1,8⋅1022 нейтр./м2
1,6 мм/мин 11 21 21 80
1,8⋅1023 нейтр./м2
1,6 мм/мин 10 20 22 70±15
Это подтверждается результатами, полученны-
ми, например в [10], где в хромоникелевой аусте-
нитной стали AISI 316 при температурах 450…525
К обнаружен эффект статического деформационно-
го старения с энергией активации 31 ккал/моль, ко-
торая находится в хорошем соответствии с энергией
активации диффузии межузельных атомов углерода
в аустените. Что касается воздействия облучения
нейтронами на динамическое деформационное ста-
рение стали 12Х18Н10Т, то это влияние не одно-
значно и требует детального рассмотрения.
Общепринято, что облучение нейтронами приво-
дит к повреждению кристаллической решетки, об-
разованию различных точечных дефектов и, в
частности, к увеличению концентрации вакансий и
их комплексов с другими дефектами. Это облегчает
диффузию атомов примеси, взаимодействие кото-
рых с движущимися дислокациями (судя по эффек-
тивной энергии активации эффекта ПЛШ) вызывает
ДДС стали. Выделение примесей внедрения из
твердого раствора подтверждается еще и тем фак-
том, что падение с температурой радиационного
упрочнения материала в области ДДС прекращает-
ся, в то время как в необлученном оно продолжает
уменьшаться, т.е. вследствие облегчения диффузии
атомов примесей нижняя граница регистрации ДДС
в облученном материале смещается в сторону мень-
ших температур. Во второй температурной области
ДДС в стали 12Х18Н10Т не наблюдается снижение
интенсивности процесса, и практически не заметно
некоторое смещение области его регистрации к
большим температурам вследствие облучения. По-
следний факт можно объяснить процессом отжига
радиационных дефектов, поскольку вторая область
ДДС соответствует температурам 750 К и более, а
согласно [1], внесенные облучением вакансии, об-
легчающие диффузию примесей замещения, практи-
чески исчезают при такой температуре. Этот вывод
косвенно подтверждается и тем фактом, что при
температурах второй области ДДС исчезает эффект
радиационного упрочнения материала, и его меха-
нические характеристики перестают зависеть от
флюенса облучения.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Изучено влияние облучения нейтронами (1,8⋅
1022…2⋅1024 нейтр./см2) на особенности процес-
сов пластической деформации и механические
свойства железохромоникелевых сплавов типа
12Х18Н10Т и 03Х20Н45М4БРЦ при Т=293…925
К, ε =2,8⋅10-4; 2,8⋅10-3; 8,3⋅10-3 с-1 и показано, что
в определенном температурно-скоростном
диапазоне как в необлученных, так и в облучен-
ных материалах протекают процессы динамиче-
ского деформационного старения: для сплава
03Х20Н45М4БРЦ процесс ДДС протекает при Т
>470 К, для стали 12Х18Н10Т – в диапазоне
470…925 К.
2. Определены эффективные энергии активации
термоактивационных процессов пластической
деформации. Полученные величины
18 ккал/моль для 470…670 К и 70 ккал/моль для
температур выше 700К указывают на то, что при
ДДС аустенитной нержавеющей стали происхо-
дит миграция к дислокациям соответственно ато-
мов внедрения (углерода и/или азота) и замеще-
ния (вероятнее всего, хрома).
3. Установлено, что в интервале температур прояв-
ления ДДС в облученных нержавеющих аусте-
нитных сталях 12Х18Н10Т и сплаве
03Х20Н45М4БРЦ наблюдается неизменность ха-
рактеристик пластичности, в то время как проч-
ностные характеристики исследованных образ-
цов возросли.
ЛИТЕРАТУРА
1.С.Т. Конобеевский. Действия облучения на мате-
риалы. М.: «Атомиздат», 1976.
2.В.К. Бабич, Ю.П. Гуль, И.Е. Долженков. Дефор-
мационное старение стали. М.: «Металлургия»,
1972, 320 с.
3.В.Д. Балашов, С.Н. Вотинов, П.П. Гринчук и др.
Деформационное старение стали Х16Н15М3Б
//ФММ. 1974, т. 38, № 1, с. 139–144.
4.Ш.Ш. Ибрагимов, О.П. Максимкин. Пластичность
облученной стали 12Х18Н10Т в области температур
293–823 К //Известия АН КазССР. 1987, № 6, с. 6–9.
5.Г.Е. Бедельбаев, О.П. Максимкин, В.А. Фархутди-
нов. Разрывная машина с дистанционным управле-
нием для исследования материалов с высокой наве-
денной активностью //Известия АН КазССР. Сер.:
«Физ.мат». 1979, № 6, с. 91–92.
6.О.П. Максимкин. Автоматизированный комплекс
установок и экспериментальные методики для ис-
следования физико-механических свойств облучен-
ных материалов: Препринт ФТИ НАН РК 94-02. Ал-
маты, 1994, 32 с.
7.K.E. Pin and A. Grinberg. Praktishe Aspekte des
Portevin-Le Shatelier Effects //Aluminum. 1984,
v. 50, № 9, p. 687–691.
8.Механические свойства редких металлов /Под ре-
дакцией Л.Д. Соколова. М.: «Металлургия», 1972, с.
21.
9.В.Д. Ярошевич, Д.Г. Рывкина. О термоактиваци-
онном характере пластической деформации метал-
лов //Физика твердого тела.1970, т. 12, № 2, с. 464–
477.
10. M. Marek R.F. Hochman //Scripta Met. 1969, v.3, p.
693.
______________________________________________________________________________
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2003. № 3.
Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (83), с. 35-43.
44
ВПЛИВ НЕЙТРОННОГО ОПРОМІНЕННЯ НА ТЕМПЕРАТУРНО-ШВИДКІСНІ ЗМІНИ
ХАРАКТЕРИСТИК МІЦНОСТІ ТА ПЛАСТИЧНОСТІ СПЛАВУ 03Х20Н45М4БРЦ
О.П.Максимкін, О.В.Тіванова
Вивчено вплив опромінення нейтронами (1,8.1022...2.1024 нейтр./см2) на особливості процесів пластичної деформаії та
механічні властивості залізохромонікелевих сплавів типу 12Х18Н10Т та 03Х20Н45М4БРЦ при температурах 293...925
К. Визначені ефективні енергії активації процесів пластичної деформації.
NEUTRON IRRADIATION INFLUENCE ON THE TEMPERATURE - RATE MODIFICATION OF
STRENGTH AND DUCTILITY CHARACTERISTICS OF ALLOY 03CR20NI45MO4BRC AND STEEL
12CR18NI10TI
O.P. Maksimkin, O.V. Tivanova
Neutron irradiation influence (1,8.1022…2.1024 n/cm2 ) on the characteristic properties of plastic deformation and on the me-
chanical properties of alloys of type 08Cr18Ni10T and 03Cr20Ni45Mn4BRC at temperatures 293…925 K. The effective ener-
gies of plastic deformation activation are determined.
______________________________________________________________________________
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2003. № 3.
Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (83), с. 35-43.
45
Введение
Методика эксперимента
Таблица 1
Таблица 2
Таблица 3
Температурные изменения механических характеристик сплава 03Х20Н45М4БРЦ до и после
Состояние
МПа
Таблица 4
Литература
|