Токтогулова Диана Асылбековна
реклама
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 Токтогулова Диана Асылбековна ПРЕДЕЛЬНАЯ ПЛОТНОСТЬ ЭНЕРГИИ ДЕФОРМАЦИИ РЕАКТОРНЫХ МАТЕРИАЛОВ, ОБЛУЧЕННЫХ НЕЙТРОНАМИ РАБОТА, ПРЕДСТАВЛЕННАЯ НА КОНФЕРЕНЦИЮ - КОНКУРС НИОКР МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ Национального ядерного центра Респ ублики Казахстан (ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ) Курчатов 2011 2 АВТОР Токтогулова Диана Асылбековна 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. 3 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). 050032, г. Алматы, Ибрагимова 1, тел. (727) 386-68-00 (371) факс.(727) 386-52-60, E-mail: [email protected] 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, true — истинная деформация, true» 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, true — истинная деформация, true» 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. 4 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/м 3; Алок — работа равномерной деформации, рассчитанная из инженерной диаграммы растяжения, МДж/м 3; 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. 5 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ 6 Методика эксперимента 6 Экспериментальные результаты 8 Механические характеристики 03Х20Н45М4БРЦ Энергетические характеристики 03Х20Н45М4БРЦ стали стали 12Х18Н10Т и сплава 12Х18Н10Т и сплава 8 9 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 11 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ 11 6 УДК 539.21:539.12.043:669.3 ПРЕДЕЛЬНАЯ ПЛОТНОСТЬ ЭНЕРГИИ ДЕФОРМАЦИИ РЕАКТОРНЫХ МАТЕРИАЛОВ, ОБЛУЧЕННЫХ НЕЙТРОНАМИ Токтогулова Д. А., Максимкин О. П., Мережко М. С. Институт Ядерной Физики Национального Ядерного Центра Республики Казахстан Алматы, Казахстан Введение 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]: f Wc ij d ij 0 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. Методика эксперимента 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 7 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 12Х18Н10Т 03Х20Н45М4БРЦ С 0.1 0.03 Сr 17.00 19.7 Ni 10.66 44.6 Ti 0.5 - Si 0.34 0.26 P 0.032 0.001 S 0.032 0.007 Mn 1.67 0.44 Mo Nb 3.8 0.8 Fe ост 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: d + 2 B d 02 d 02 3 (1) 2 - 1 + B 2 crист ln m , [МДж/м ] Wc = 02 3 d d d m n m 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) (1 p ) ln( 1 p ) , (2) Um B ln( 1 p ) 1 Unf —удельная энергия деформации от предела прочности до разрушения, МДж/м3 (1 ) cr , 1 U nf B ln 1 ln( 1 p ) 2 ( 1 ) 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. (3) 8 Рисунок 2 — Получение диаграммы «истинных» напряжений (справа) из инженерной диаграммы (слева) и определение составляющих Um и Unf удельной энергии разрушения (схема) Экспериментальные результаты 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 Необл. 2,5·1017 5·1017 1∙1018 2·1018 5·1018 1∙1019 σ02, МПа 237 242 244 266 271 328 441 σВ, МПа 698 693 707 720 706 724 757 δр, % 40 37 45 35 38 34 26 δ, % 53 48,3 61 45,8 48,5 47,6 38 Таблица 3 Механические характеристики необлученного и облученного нейтронами сплава 03Х20Н45М4БРЦ Флюенс, н/см2 Необл. 1∙1017 2·1020 σ02, МПа 250 273 516 σВ, МПа 657 634 711 δр, % 40 40 31 δ, % 50 51,5 38,7 9 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 Сталь 12Х18Н10Т Сплав 03Х20Н45М4БРЦ Флюенс, н/см2 Необл. 2,5·1017 5·1017 1∙1018 2·1018 5·1018 1∙1019 1,3·1020 Необл. 1∙1017 2·1020 Алок, МДж/м3 в условных координатах до σВ 234 227 265 211 227 212 178 149 213 202 200 А, МДж/м3 в условных координатах 316 283 368 277 294 300 257 226 268 268 248 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 150170%. 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. 10 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 03Х20Н45М4БРЦ Сталь 12Х18Н10Т Флюенс, н/см2 0 2,5·1017 5·1017 1∙1018 2·1018 5·1018 1∙1019 Wc, МДж/м3 по «истинной» по формуле диаграмме (1) 2133 2140 2039 2109 2234 2276 2188 2294 2414 2596 2182 2278 2113 2176 Um, МДж/м3 по «истинной» по формуле диаграмме (2) 225 (10) 246 214 (10) 230 262 (12) 277 207 (9) 225 215 (9) 225 209 (9) 220 176 (8) 181 Unf, МДж/м3 по «истинной» по формуле диаграмме (3) 1907 1857 1824 1743 1971 1825 1979 1973 2198 2218 1973 1917 1936 1876 Необл. 1146 1133 206 (22) 233 940 817 1∙1017 1455 1473 205 (16) 222 1250 1356 2·1020 1200 1200 200 (20) 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. 11 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]). ЗАКЛЮЧЕНИЕ 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. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ 1 Иванова, В.С. Усталость и хрупкость металлических материалов / В.С. Иванова., С. Е. Гуревич, И. М. Копьев. - 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, Ш.Ш. Температурные изменения механических свойств сплава 03Х20Н45М4БРЦ и стали 12Х18Н10Т, облученных нейтронами / Ш.Ш. Ибрагимов, О.П. Максимкин, М.Ж. Сакбаев // Деп. в ВИНИТИ 27.06.90.- 10 с.- №3666-В90. 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, Л.С. Влияние мартенсита деформации на свойства сталей Fe-Cr-Mn / Л.С. Малинов, А.П. Чейлях, К.Н. Соколов // Металлы.– 1988.–№2.–С.78-83. 12 Аннотация ПРЕДЕЛЬНАЯ ПЛОТНОСТЬ ЭНЕРГИИ ДЕФОРМАЦИИ РЕАКТОРНЫХ МАТЕРИАЛОВ, ОБЛУЧЕННЫХ НЕЙТРОНАМИ Токтогулова Д. А., Максимкин О. П., Мережко М. С. 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 Токтогулова Д.А.; Максимкин О.П., Мережко М.С. 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.