WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 3 Карты деформационных структур в облученных нейтронами металлах и сплавах © Г.А. Малыгин Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия E-mail: malygin.ga@mail.ioffe.ru (Поступила в Редакцию 18 мая 2005 г.) На основе уравнений дислокационной кинетики сделано теоретическое обоснование карт деформационных структур в облученных нейтронами металлах и сплавах. Определены критические деформации и дозы облучения перехода от ячеистых и хаотических дислокационных структур к гетерогенным, каналированным деформационным структурам и установлена связь критических доз и деформаций с кинетическими коэффициентами, определяющими эволюцию плотности дислокаций и радиационных дефектов в облученных материалах. С помощью найденных соотношений количественно проанализировано влияние облучения на прочностные и деформационные характеристики Ni и мартенситной стали A533, сведения о которых имеются в литературе. В заключение рассмотрены критические условия наступления радиационной хрупкости облучаемых материалов.

Работа выполнена в рамках проекта, поддержанного грантом Российского фодна фундаментальных исследований № 05–02–08128офи_э.

PACS: 61.80.Hg, 61.82.Bg Действие нейтронного облучения на металлы и спла- виде грубых линий скольжения [4,5]. Как показывают вы вызывает резкое изменение их прочностных и де- электронно-микроскопические исследования [1–4], груформационных свойств, связанное с образованием в бые линии скольжения состоят из скопления (пучка) облученном материале большой плотности радиацион- более тонких линий скольжения в виде так называемых ных дефектов, таких как вакансионные и межузельные бездефектных и бездислокационных каналов шириной дислокационные петли и тетраэдры дефектов упаковки. 50–500 nm со средним расстоянием между ними от 1 При температурах облучения T < 0.3Tm, где Tm — тем- до 10 µm [6] и с большой величиной деформации сдвига пература плавления, большие дозы радиации приводят от 102 до 103% [7,8]. Возникновение каналов и свяк сильному росту предела текучести, возникновению занное с ними явление каналирования дислокаций сонестабильности деформации (появлению зуба и площад- провождаются частичным разупрочнением радиационно ки текучести на кривых растяжения материала) и к упрочненного материала и появлением на кривой его резкому снижению величины равномерной деформации, растяжения зуба и площадки текучести. При очень высокогда наступает локализация деформации в виде шейки. ких дозах облучения (> 1dpa) локализация деформации Последнее обстоятельство означает, что в результате в виде шейки и разрушение материала наступают при облучения материал теряет запас пластичности, т. е. деформациях, соответствующих пределу (зубу) текучерадиационно охрупчивается. Все указанные явления в сти, что свидетельствует о полной потере облученным равной степени относятся как к чистым металлам, так материалом запаса пластичности при растяжении.

и к конструкционным сплавам, используемым в ядерной Очевидно, что такие характеристики прочности и энергетике, независимо от типа их кристаллических пластичности облученных материалов, как предел текурешеток. чести y, предел прочности на растяжение u, величина Проведенные за последние десятилетия оптические и равномерной деформации u, их зависимости от дозы электронно-микроскопические исследования деформаци- облучения, а также критическая деформация c и онных структур в облученных нейтронами металлах и критическая доза облучения c, когда в пластически сплавах показали, что в зависимости от дозы облучения деформируемом материале формируются соответственв них наблюдается два типа деформационных струк- но ячеистая дислокационная структура и бездефектные тур [1–5]. При низких дозах облучения это обычные, каналы, имеют важное значение для понимания мехахарактерные для отожженных материалов деформацион- низма охрупчивания облученных металлов и сплавов.

ные структуры, в которых линии скольжения довольно В целях упорядочения этих характеристик и системаравномерно распределены по кристаллу (в поликристал- тизации сведений о них в [3] предлагается для каждого лах — по объему зерен). Электронная микроскопия на подвергнутого облучению материала составлять карту просвет фиксирует в этом случае образование ячеистой деформационных структур в нем в зависимости от додислокационной структуры [1–3]. зы облучения с указанием зависимости перечисленных Второй тип структур наблюдается при высоких дозах выше характеристик прочности и пластичности от дозы облучения, когда в деформируемом материале возни- облучения. Впервые такая карта была составлена для кает сильно гетерогенная деформационная структура в облученных образцов Ni и Au [1] (рис. 1).

456 Г.А. Малыгин Цель настоящей работы — теоретическое обоснова- ствующие структуры обозначены кружками и квадрание карт деформационных структур облученных метал- тами. Кривая c иллюстрирует зависимость критичелов в рамках развитых ранее кинетических дислокацион- ской деформации образования ячеистой дислокационной ных моделей формирования соответственно ячеистых [9] структуры от дозы облучения. Видно, что с ростом и каналированных [6,9] дислокационных структур. В пер- дозы критическая деформация возрастает, т. е. радиавом разделе с помощью кинетического уравнения для ционные дефекты затрудняют формирование ячеистой плотности дислокаций рассмотрено влияние дозы об- структуры. Кривая u на рис. 1 показывает, как с ролучения на критическую деформацию возникновения стом дозы облучения снижается величина равномерной деформации в Ni. Штрихом отмечена величина ячеистой дислокационной структуры. Во втором разделе критической дозы c, когда в дефектной структуре с помощью кинетического уравнения для плотности никеля начинают формироваться бездефектные каналы радиационных дислокаций проанализированы условия, и наступает локализация деформации в виде грубых необходимые для возникновения эффекта каналирования линий скольжения. Из результатов [1] следует, что дислокаций. В третьем, четвертом и пятом разделах с карта деформационных структур в облученных образцах учетом полученных результатов обсуждается изменение с ростом дозы облучения и температуры величин равно- золота имеет аналогичный характер.

Кинетическое уравнение, описывающее эволюцию с мерной деформации и пределов текучести и прочности ростом деформации сдвига плотности дислокаций и облученного нейтронами Ni [1]. В последнем, шестом разделе аналогичное рассмотрение сделано для мартен- образование ячеистой дислокационной структуры, имеет вид [9] ситной стали A533B [3] с акцентом на установление условий развития в ней и в других облучаемых мате D риалах радиационной хрупкости.

+ b y1 - im 1 - ir 1. Критическая деформация = + + k 3/2 - ka2, (1) f bm bli На рис. 1 показана карта деформационных структур в где D — эффективное расстояние диффузии дислокаций облученном нейтронами никеле в зависимости от дозы в результате их взаимодействия друг с другом или с друоблучения. Кривая c на этом рисунке разграничивает гими препятствиями в решетке; b — вектор Бюргерса;

области деформаций и доз облучения, когда в никеле m и li — длины свободного пробега дислокаций при формируются соответственно ячеистые и каналированих размножении или иммобилизации на препятствиях ные дислокационные структуры. На рисунке соответсоответственно нерадиационного и радиационного происхожения; im и ir — соответствующие коэффициенты иммобилизации дислокаций на этих препятствиях; k — f коэффициент, определяющий интенсивность размножения дислокаций на дислокациях леса при множественном скольжении (bk 10-2); ka — коэффициент анниf гиляции дислокаций.

Анализ уравнения (1) показывает [9,10], что возникновение ячеистой дислокационной структуры определяется условием 0 <0 < 2/3, где параметр 0 зависит от величины и соотношения кинетических коэффициентов в правой части уравнения (1) 1 - 1 - 0 =, 1 + 1 - b b ka = 4 (im - 1) +(ir - 1), 0 < <1.

m li (bk )f (2) Параметр 0 определяет величину критической деРис. 1. Карта деформационных структур в облученном ней- формации начала формирования ячеистой структуры тронами Ni [1]: 1 — ячеистая дислокационная структура, c = c/m, где [10] 2 — бездефектные каналы и грубое скольжение. Штрих — 2 (1 + 0)начало формирования бездефектных каналов. Сплошные криc = ln, (3) вые — зависимости критической деформации начала обраka 2 - 0 3 - 3 зования ячеистой дислокационной структуры c и величины m — фактор Тейлора для поликристалла. Из соотношеравномерной деформации u от дозы облучения согласно выражениям (3) и (9). ний (2) и (3) следует, что параметр 0, а следовательно, Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. Карты деформационных структур в облученных нейтронами металлах и сплавах 2. Критическая доза облучения Кинетическое уравнение, описывающее эволюцию радиационных дефектов в облученном металле в результате его пластической деформации, имеет вид [13] i D 2i n0 1 - ir i + = + i - kai, (5) i b y2 b bli где i = Ni di — плотность радиационных дислокаций в результате превращения вакансионных и межузельных петель в подвижные дислокации; n0 = n0(i0) —объмная плотность дислокационных источников, возникающих в результате этого превращения; i0 = Ni0di и Ni0 — соответствующие их плотности сразу после облучения;

i — локальная сдвиговая деформация при формировании бездефектных каналов. Остальные коэффициенты имеют тот же смысл и значение, что и в уравнении (1).

Рис. 2. Зависимость параметров и 0, определяющих Каналы образуются при выполнении следующего соотвелилчину критической деформации c образования ячеистой ношения между коэффициентами уравнения (5) [6,9]:

дислокационной структуры в Ni, от дозы облучения.

0 < 1 - (1 - m)2, (6a) где и критическая деформация c зависят от длины свобод3n0(i0) 3(ir - 1) ного пробега дислокаций между препятствиями радиаци0 =, m =. (6b) bkai0 2bkaliiонного происхождения li =(Nidi)-1/2, где Ni — объемная плотность вакансионных и межузельных петель, а При указанных выше значениях коэффициентов велиdi — их средний размер.

чина параметра m удовлетворяет условию m 1 и, Опыты [11] и анализ кривых радиационного упрочнеследовательно, условие формирования каналов приобрения [12] показывают, что плотность петель увеличиваеттает вид 0 < 3/4. Принимая далее во внимание, что 3/ся с ростом дозы облучения согласно закону n0(i0) =0i0, где 0 — относительная доля активных дислокационных источников, получаем для плотности петель условие Ni > Nic, где Nic = 160 /b2dik2 —криa Ni = Nim 1 - exp -, (4) тическая плотность петель образования бездефектных каналов. Подставляя Nic в левую часть выражения (4), где 0 — характерная доза, при которой каскады сме- находим для критической дозы облучения выражение щений атомов начинают перекрываться и плотность петель приближается к постоянной величине Nim. Разc = 0 ln. (7) Nic мер петель di практически не зависит от дозы об1 Nim лучения [11]. Кривая c() на рис. 1 демонстриует результаты расчета критической деформации образоваПри указанных выше параметрах и 0 = 0.5 · 10-2 пония ячеистой структуры в Ni согласно соотношениям лучаем Nic = 7.8 · 1022 m-3, следовательно, критическая (2)–(4) при следующих значениях фигурирующих в них доза составляет c = 2 · 1021 n · m-2. Как видно из припараметров и коэффициентов: ka = 2.6, b = 0.25 nm, веденных выше соотношений, она зависит от коэффиir - 1 = 6 · 10-4, (im - 1)b/m = 3 · 10-8, di = 2nm, циента аннигиляции дислокаций ka, от величины паNim = 1.8 · 1023 m-3, 0 = 3.2 · 1021 n · m-2, m = 3. На раметра 0 и предельной плотности петель Nim, когда рис. 2 показана зависимость от дозы облучения паранаступает перекрытие каскадов смещенных нейтронами метров и 0, определяющих величину критической атомов. На рис. 1 критическая доза указана штрихом, деформации. Видно, что эти параметры увеличиваются который отмечает начало возникновения деформационс ростом дозы облучения. Этот эффект связан с им- ной структуры сильно гетерогенного (каналированного) мобилизацией дислокаций радиационными дефектами.

типа. Верхней ее границей является кривая c, т. е.

В чистом необлученном никеле вклад примесных атомов критическая деформация начала формирования ячеистой в иммобилизацию дислокаций мал по сравнению с дислокационной структуры. Верхней (формальной) грарадиационными дефектами, поэтому первым членом в ницей области существования этой структуры является квадратной скобке во втором из соотношений (2) можно кривая u. Она иллюстрирует зависимость величины пренебречь. равномерной деформации u от дозы облучения.

Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 458 Г.А. Малыгин 3. Величина равномерной деформации Величина равномерной деформации до момента начала локализации деформации в виде шейки определяется критерием Консидера d/d <. В рассматриваемом случае [13] (, ) =0 + i () +d(), (8a) где 0 — предел текучести необлученного материала; i() =miµ[Ni()di]1/2 — величина радиационного упрочнения облученного материала; d() — вклад деформационного упрочнения в напряжение течения [9,14], определяемый выражением d() =3 1 - exp - mka, Рис. 3. Экспериментальные точки (1, 2) [1] и теоретические bk f (сплошные кривые) зависимости предела текучести y и пре3 = mdµ ; (8b) ka дела прочности u никеля от дозы облучения, рассчитанные согласно выражениям (9)–(10) соответственно.

i и d — постоянные взаимодействия дислокаций соответственно с радиационными петлями и друг с другом, µ — модуль сдвига. Остальные параметры и коэффициенты те же, что и выше.

Подставляя напряжения (8) в критерий Консидера, получаем зависимость величины равномерной деформации от дозы облучения [13,14] 1 + mka u() = ln, y () =0 + i(), (9) mka 1 + y () где y — предел текучести облученного материала.

Кривая u на рис. 1 построена в соответствии с соотношениями (8)–(9) при следующих значениях коэффициентов: i = 0.2, d = 0.3, µ = 75 GPa, 0 = 72 MPa [1], = 3.5 — подгоночный множитель, компенсирующий не достаточно точные значения коэффициентов, используемых при количественных оценках. При указанных выше значениях находим, что 3 = 264 MPa, 3 —величина напряжения в конце третьей стадии кривой деРис. 4. Кривые растяжения Ni, облученного до различных формационного упрочнения необлученного материала.

доз согласно соотношениям (8). Штрихом показано изменение с ростом дозы облучения величины предела прочности u и величины равномерной деформации u.

4. Пределы текучести и прочности Согласно критерию Консидера, напряжение начала формирования пластической неустойчивости типа шейки ретические зависимости достаточно удовлетворительно (предел прочности на растяжение) описывается выражесогласуются с экспериментальными данными.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.