МЕТОД ИЗУЧЕНИЯ ЛОКАЛИЗАЦИИ ДЕФОРМАЦИИ

«Заводская лаборатория. Диагностика материалов» № 11. 2006. Том 72
52
УДК 620.172.2: 621.039.573
МЕТОД ИЗУЧЕНИЯ ЛОКАЛИЗАЦИИ ДЕФОРМАЦИИ
В МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛАХ, ОБЛУЧЕННЫХ ДО ВЫСОКИХ ПОВРЕЖДАЮЩИХ ДОЗ
© О. П. Максимкин, М. Н. Гусев, И. С. Осипов1
Статья поступила 23 января 2006 г.
Описан метод “цифровой маркерной экстензометрии”, позволяющий определять параметры
пластичности и истинные напряжения в экспериментах с миниатюрными высокорадиоактивными образцами. Возможности метода продемонстрированы на примере
22
2
нержавеющей стали 08Х16Н11М3, облученной нейтронами до флюенса 5·10
н/см в
быстром реакторе БН-350. Определены особенности пластической деформации данной стали,
установлен характер взаимосвязи между истинными напряжениями и деформациями.
В практике механических испытаний для контроля
изменений, протекающих в деформируемом образце,
1
Институт ядерной физики НЯЦ РК, г. Алматы,
Казахстан.
в частности для изучения взаимосвязи между
истинными напряжениями и деформациями, применяют оптическую и электронную экстензометрию [1, 2],
метод делительных сеток [3], спекл-интер-ферометрию
[4] и другие экспериментальные методы.
«Заводская лаборатория. Диагностика материалов» № 11. 2006. Том 72
Однако при изучении облученных радиоактивных
материалов многие из этих методов не могут быть
использованы. Так, в случае исследования миниатюрного облученного образца [1] использование
классического “метода сеток” [3] невозможно из-за
требований безопасности работы с радиоактивными
материалами. Специальные методики экстензометрии,
например спекл-интерферометрия [4], как правило, не
позволяют работать с миниатюрными (<10 мм)
образцами, а разнообразные контактные экстензо-метры
и методы измерения в “проходящем свете” [2]
оказываются малопригодными либо сложными.
Между тем пластическое течение облученных
металлических материалов имеет целый ряд отличительных особенностей. Так, в результате облучения
практически
исчезает
способность
материала
деформироваться при растяжении равномерно, без
образования макроскопической шейки. Нередко
значительная
часть
высокооблученной
пробы
оказывается вообще не деформированной, тогда как
локальные деформации в шейке могут быть очень
велики. В этом случае регистрируемая в эксперименте
кривая нагрузка — удлинение, называемая инже-нерной
кривой, становится непригодной для изучения кинетики
деформационных процессов,
в
частности
для
определения характера взаимосвязи между истинными
величинами напряжений и деформаций.
В данной работе описан метод цифровой
маркерной экстензометрии, позволяющий исследовать высокорадиоактивные материалы при
проведении механических испытаний.
Исследовали аустенитную нержавеющую сталь
08Х16Н11М3 (0,08 С, 15,2 Cr, 11,2 Ni, 1,95 % вес.
Mo), широко используемую как конструкционный
материал,
в
частности
для
чехлов
тепловыделяющих сборок (ТВС) реакторов на
быстрых нейтронах. Несмотря на значительное
количество публикаций (например, [5, 6]),
посвященных изучению структуры и свойств этого
материала, механизмы и кинетика локализации
деформации в нем после облучения до высоких
повреждающих доз практически не исследованы.
Плоские образцы с размерами рабочей части 10  2 
0,3 мм вырезали из чехла отработанной ТВС реактора
БН-350 (миниатюрные размеры образцов объясняются
высокой наведенной радиоактивностью облученного
материала). Испытания на одноосное растяжение
проводили на установке “Инстрон-1195” при комнатной
температуре, скорость деформирования составляла
8,3·10–4 с–1. Для крепления образцов использовали
пневматические захваты.
Кинетику негомогенной деформации высокооблученных миниатюрных образцов исследовали
методом цифровой маркерной экстензометрии
53
Рис. 1. Схема реализации метода цифровой маркерной
экстензометрии: F — сила, действующая на образец
шириной d и толщиной h; D — размер маркера М в
направлении оси растяжения (значения d и h определяются до деформации)
(рис. 1). При этом на полированную поверхность
образца наносили маркеры — капли красящего
вещества, имеющего хорошую адгезию к поверхности металла. В процессе деформации образца
регистрировали формоизменение и взаимное перемещение маркеров с помощью цифровой
фотокамеры высокого разрешения (2048  1536
пикселов, разрешение до 10 микрон/пиксель).
По мере применения метода маркерной экстензометрии, функционально близкого к “методу сеток” [3],
образец покрывается измерительной сеткой с шагом 1 –
1,5 мм. Это позволяет для произвольного участка
образца исходя из последовательности фотоснимков
рассчитать значения локальной деформации и
действующего напряжения с погреш-ностью не более 5
и 10 % соответственно. Для этого при обработке
последовательности
цифровых
изображений
деформируемого образца c приме-нением специально
разработанных алгоритмов вычисляется расстояние
между центрами маркеров L (см. рис. 1). Деформация
того или иного выбранного локального участка для i-го
изображения определяется как ε i = ln(L0/Li), где L0 —
исходное расстояние между маркерами, определенное
из первого изображения, сделанного до деформации; Li
— текущее расстояние, рассчитанное из i-го
изображения. Действующее напряжение σi может быть
получено исходя из критерия постоянства объема
V (V = S0L0 = SiLi = const, где S = hd):
σi
F
i
S
0
L0
L
,
(1)
i
где Fi — сила, действующая в i-тый момент времени,
определяемая из инженерной диаграммы; S0 —
начальное сечение. При этом для тонкого плоского
«Заводская лаборатория. Диагностика материалов» № 11. 2006. Том 72
54
σ, МПа
3′
1500
1200
3
2
900
1
4
600
300
0
0
10
20
30
40
50 ε , %
Рис. 2. Инженерные кривые растяжения стали
08Х16Н11М3: 1 — после облучения до повреждающей
дозы 1,1·1022 н/см2 при 280 °С; 2 — 5,0·1022 н/см2 при
300 °С; 3 — 5,2·1022 н/см2 при 354 °С; 3′ — “истинная”
кривая пластического течения, соответствующая
инженерной кривой 3; 4 — необлученная сталь после
аустенитизации при 1050 °С, 30 мин (кривые смещены
по оси ε для наглядности)
σист, МПа
2
1600
3
4
1200
1
800
400
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
(ε ист, отн. ед.)0,5
Рис. 3. Истинные кривые деформационного упроч-нения
стали 08Х16Н11М3: 1 – 4 — то же, что на рис. 2 (для
кривых 1 и 2 экспериментальные точки не показаны)
образца в первом приближении можно пренебречь
касательными напряжениями. В расчетах может
использоваться как величина L, так и размер
маркера вдоль оси растяжения D.
С помощью экспериментальных значений
истинных напряжений σист и локальных деформаций
ε ист можно построить график их распределения по
рабочей длине образца для различных моментов
деформации вплоть до разрушения либо проследить
взаимосвязь между σ ист и ε ист для произвольного
участка образца. Причем экспериментальные
зависимости σист(ε ист) для облученных материалов
в литературе встречаются крайне редко, хотя имеют
большое практическое значение, в частности при
моделировании процессов пластической деформации
и расчетах с помощью таких программ, как ANSYS.
На рис. 2 показаны типичные инженерные диаграммы, полученные при деформации образцов стали
08Х16Н11М3, облученной быстрыми нейтронами до
22
2
флюенса 5,2·10
н/см . Общий вид кривых
растяжения близок к приведенным в работе [7] и
характеризуется незначительной величиной или
отсутствием участка равномерной деформации.
Полученные из этих диаграмм механические
характеристики (пластичность, пределы текучести,
прочности) хорошо согласуются с результатами
других исследователей [5, 7, 8] и не будут рассматриваться в данной работе. Как следует из рис. 2,
величина равномерного удлинения крайне мала (2 – 4
%); практически сразу за пределом текучести
образуется макроскопическая шейка и инженерная
кривая становится неинформативной. В то же время
изучение взаимосвязи между σ ист и ε ист в развивающейся шейке (см. рис. 2, кривые 3 и 3′) может
быть более полезным с точки зрения изучения
локализации деформации.
На рис. 3 приведены кривые деформационного
упрочнения облученной стали 08Х16Н11М3,
рассчитанные на основании данных цифровой
маркерной экстензометрии.
При сравнении рис. 2 и 3 видно, что переход от
условных к реально действующим значениям
деформаций и напряжений качественно изменяет ход
кривых течения. Так, развитие локальных деформаций в шейке сопровождается существенным
деформационным упрочнением материала и ростом
действующих напряжений вплоть до момента
разрушения, несмотря на кажущееся разупрочнение,
регистрируемое на инженерной кривой практически
сразу за пределом текучести. Согласно работе [9], в
данном случае имеет место “квазиохрупчивание”, т.
е. подавление равномерной деформации, которое
следует отличать от реального охрупчивания [10] —
полного подавления способности материала к
пластической деформации.
Анализ экспериментально полученных зависимостей σ ист(ε ист) для исследованных образцов
показал, что они могут быть описаны уравнением
0,5
σ k ε
σ
ист
0
,
(2)
ист
где k — коэффициент деформационного упрочнения;
σ0 — величина, близкая к пределу текучести. Из рис.
3 также видно, что облучение стали приводит к росту
величины σ0 и некоторому снижению коэффициента
деформационного упрочнения k.
Характер взаимосвязи между величинами
напряжений и деформаций, описываемый соотно-
«Заводская лаборатория. Диагностика материалов» № 11. 2006. Том 72
шением (2), ранее был экспериментально показан для
необлученных чистых металлов и ряда ОЦК-сплавов
[11, 12]. Для хромоникелевой стали 08Х18Н11М3,
облученной до высоких повреждающих доз, это
соотношение установлено впервые.
Таким образом, разработан и применен бесконтактный метод цифровой маркерной экстензометрии, позволяющий определять параметры
пластичности и истинные напряжения в экспериментах с миниатюрными высокорадиоактивными
образцами. С помощью данного метода экспериментально установлен характер взаимосвязи между
истинными напряжениями σ и величинами деформации ε для нержавеющей стали 08Х16Н11М3,
облученной до высоких повреждающих доз.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бабушкин А.А., Максимкин О.П., Челноков С.Ю. /
Известия АН КазССР. Сер. физ. мат. 1986. № 2.
С. 21 – 22.
2. Brillaud C., Meylogan T., Salathe P. / Effect of
Radiation on Materials: 17th International Symposium,
ASTM STP 1270. 1996. P. 1144.
55
3. Мигачев Б.А., Волков В.П. / Заводская лаборатория.
1988. Т. 54. № 5. С. 77 – 79.
4. Горбатенко В.В., Поляков С.Н., Зуев Л.Б. / Заводская
лаборатория. 2001. Т. 67. № 7. С. 29 – 31.
th
5. Hamilton M.L. / Effects of Radiation on Materials: 19
International Symposium, STP 1366. 2000. P. 1003 – 1017.
6. Максимкин О.П., Гусев М.Н., Турубарова Л.Г. /
Тезисы докладов 8-й международной конференции
“Физика твердого тела”, 23 – 26 августа, 2004,
Алматы, Казахстан. С. 293.
7. Horsten M.G., De Vries M.I. / Effect of radiation on
Materials: 17th International Symposium, ASTM STP
1270. 1996. P. 919.
8. Горынин И.В., Винокуров В.Ф. и др. Радиационное
воздействие на материалы термоядерных реакторов:
Сб. трудов. — СПб.: ЦНИИ КМ “Прометей”, 1992.
С. 90 – 109.
9. Малыгин Г.А. / Физика твердого тела. 2005. Т. 47.
Вып. 2. С. 236.
10. Garner F.A. Materials Science and Technology. V. 10A
(Nuclear Materials). Part 1. Chapter 6. — VCH
Verlagsgesellschaft mbH. — Weinheim. Federal
Republic of Germany. 1994. P. 419 – 543.
11. Трефилов В.И., Моисеев В.Ф. Деформационное
упрочнение и разрушение поликристаллических
металлов. — Киев: Наукова думка, 1989. — 256 с.
12. Трефилов В.И. и др. / ДАН УССР. Сер. А. 1980. № 5.
С. 83 – 86.
УДК 620.178.15: 678.01
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЯЗКОУПРУГИХ ХАРАКТЕРИСТИК
ЭЛАСТИЧНОГО ПОЛИМЕРНОГО МАТЕРИАЛА1
© Д. А. Черноус, С. Б. Анфиногенов, С. В. Шилько2
Статья поступила 30 сентября 2005 г.
Описана методика моделирования деформирования эластичных полимеров при
испытаниях на одноосное растяжение и динамическое индентирование. Показано, что
использование упрощенного представления ядра релаксации в виде экспоненциальной
функции, полученной по результатам простых испытаний на динамическое внедрение
индентора, позволяет адекватно описать диаграмму активного одноосного растяжения.
Широкое использование эластичных полимеров в
строительстве,
машиностроении,
производстве
биомедицинских изделий и других отраслях
промышленности требует разработки методики
описания механического поведения этих материалов.
1
Работа выполнена при финансовой поддержке Белорусского республиканского фонда фундаментальных
исследований (проекты Т04Р-075 и Т05МС-035).
2
Институт механики металлополимерных систем им. В.
А. Белого НАН Беларуси, г. Гомель, Беларусь.
Эластичные
полимеры
обладают
рядом
особенностей, которые должны быть учтены при
создании
мате-матической
модели
их
деформирования. Так, по сравнению с большинством
конструкционных материалов они имеют меньшую
жесткость и более широкий диапазон обратимых
деформаций, харак-теризуются ярко выраженными
реономными свой-ствами (ползучесть и релаксация).
Отмеченные особенности позволяют в достаточно
широком диапазоне деформаций и скоростей
нагружения рассматривать исследуемые материалы
как вязко-упругие [1 – 4].