Embrittlement of steel 18Cr10NiTi, irradiated with neutrons in a helium atmosphere at a high temperature.pdf Одним из факторов, ограничивающих работоспособность конструкционных материалов в активной зоне ядерных реакторов и термоядерных установках, является высокотемпературное радиационное охрупчивание (ВТРО) материалов, способное привести к хрупкому разрушению с катастрофическими последствиями. Существует две точки зрения на механизм ВТРО [1, 2]. Одна связывает охрупчивание с накоплением гелия в облученном материале, который образуется в результате ядерных реакций и концентрируется возле границ зерен, тем самым ослабляя их. Другая связывает механизм ВТРО с процессом сегрегации примесных (легированных) атомов на границе. Явление ВТРО достаточно широко изучалось как после облучения нейтронами, так и -частицами [1, 2]. Известно, что ВТРО в облученных нейтронами сталях проявляется при температурах испытаний выше 600 ºС, является межзеренным и носит необратимый характер. При нейтронном облучении стали гелий накапливается за счет ядерных реакций при взаимодействии нейтронов с атомами никеля. Однако однозначно выявить роль гелия при нейтронном облучении не удается, поскольку в температурном интервале ВТРО идет активная диффузия примесей, которые также осаждаются на границах зерен и других дефектах структуры. Для выявления роли гелия в охрупчивании предпринято следующее: проведены исследования изменений прочностных свойств и структуры конструкционной стали Х18Н10Т после нейтронного облучения в атмосфере гелия. Изготовленные из стали Х18Н10Т наполненные гелием ампулы (давление газа составляло ~ 0.3 атм.) облучались в исследовательском реакторе ВВР-К (ИЯФ, г. Алматы) при температуре 760 °С. Толщина стенок ампулы - 2 мм. Облучение проводилось до флюенса 9•1019 н/см2 (энергия нейтронов 0.1 МэВ) при плотности нейтронного потока 7.6•1012 н/(с•см2). Разогрев ампулы осуществлялся только за счет облучения. Сами ампулы помещались в заполненный воздухом герметичный пенал, т.е. теплоотвод был незначительным. Отметим, что набранный флюенс нейтронов (облучение проводилось более 100 дней) соответствует дозе облучения < 1 сна. Подробно процедура облучения изложена в [3]. После облучения проводилась разделка ампулы и из стенок готовились образцы для исследований методом сканирующей (СЭМ) и просвечивающей (ПЭМ) электронной микроскопии, механических испытаний на одноосное растяжение (пластины размерами 2020.5 мм) и термодесорбционной спектроскопии (ТДС). Исследования накопления гелия в стали за счет «вбивания» атомов гелия из атмосферы методом ТДС показали наличие трех пиков десорбции в интервале температур от комнатной до 400 °С [3]. Сравнивая ТДС-спектры выхода гелия из стали, облученной в среде гелия и имплантированной -частицами [4], можно предположить, что гелий аккумулируется в приповерхностных слоях и концентрируется на дефектах структуры, таких, как границы зерен, дислокации. Следов блистеров не отмечено, хотя, по оценкам, концентрации гелия при нейтронном облучении в среде гелия и имплантации гелия на ускорителе сопоставимы. Причиной является то, что при имплантации -частиц распределение вакансий и пробег атомов гелия близки, и это создает условия для зарождения и роста газонаполненных пор в отличие от нейтронного облучения в среде гелия. Результаты механических испытаний показаны на рис. 1, где приведена температурная зависимость характеристик прочности и пластичности стали, облученной нейтронами в среде гелия. Из рис. 1 видно, что с повышением температуры наблюдается снижение пластичности материала. Так, при температуре 450 °С пластичность стали снижается на 18 %, а при температуре, соответствующей облучению (760 °С), - на 53 %. При этом условный предел текучести при температуре 760 °С снижается на 56 %, что указывает на охрупчивание стали. Кроме механических свойств, исследована структура облученной стали методами СЭМ и ПЭМ. Из рис. 2, а, где показана структура поверхности облученной стали, видно, что структура стали характеризуется разнозернистостью. Средний диаметр зерна составляет 10 мкм, максимальный - не превышает 20 мкм, минимальный ~ 5 мкм. В теле аустенитных зерен наблюдается большое количество вторичных выделений карбидов разного размера и состава. Элементный анализ показал, что основу карбидов составляют Cr, Fe, Ni, а также Ti. В зависимости от состава и концентраций установлено, что карбиды соответствуют МС, М3С, М23С6, где М - металл. Результаты ПЭМ-исследования, полученные как в стационарном режиме, так и в режиме STEM (см. вставку) показаны на рис. 2, б. Рис. 1. Зависимость от температуры испытаний характеристик пластичности и прочности стали Х12Н10Т, облученной нейтронами в среде гелия при 760 °С: кр. 1 - предел текучести; кр. 2 - удлинение; кр. 3 - предел прочности Рис. 2. Структура облученной нейтронами в среде гелия стали Х12Н10Т: а - СЭМ; б - ПЭМ При сравнении одного и того же участка образца, снятого в различных режимах, выявлено наличие пор, которые в режиме STEM отображаются черным цветом, указывая на «пустоту». Поры расположены в основном по границам аустенитных зерен малого размера и в местах скопления дефектов структуры. Поры имеют различную форму, что указывает на начальную стадию их формирования. Однозначно связать охрупчивание с гелиевыми порами на границах зерен и дислокациях сложно, поскольку количество пор невелико и, кроме того, в структуре присутствуют карбиды, также способствующие снижению пластичности. Однако полученные результаты позволяют утверждать, что снижение пластичности коррелирует с зарождением наполненных гелием пор.

Скачать электронную версию публикации