Функциональные свойства никелида титана при комплексных физико-механических воздействиях

2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 6
Глава 1. МАРТЕНСИТНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В
СПЛАВАХ И ЭФФЕКТ ПАМЯТИ ФОРМЫ В УСЛОВИЯХ ДЕЙСТВИЯ НЕЙТРОННОГО ОБЛУЧЕНИЯ 16
1.1. Методика проведения экспериментов и объекты исследования 21
1.1. /. Низкотемпературная гелиевая петля реактора ВВР-М 21
1.1.2. Материалы и образцы 24
1.2. Мартенситные превращения в сплаве Ті№, облучаемом нейтронами при температурах, меньших 330 К 28
1.3. Изменение степени дальнего порядка как причина изменения температур мартенситных превращений 36
1.4. Изменение электрического сопротивления сплава Ті>1і в процессе нейтронного облучения при температурах, меньших 330 К 43
1.5. Кине гика процесса отжига радиационных повреждений 49
1.6. Изменение температурной кинетики мартенси тных превращений и электрического сопротивления в сплаве ТіІЧі в процессе нейтронного облучения при температуре 470К 56
1.7. Кинетическое уравнение для описания изменения температур мартенситных превращений в облучаемом нейтронами сплаве ТіІЧі
1.8. Действие нейтронного облучения на эффект памяти формы в сплаве Ті№
1.8.1. Эффекты пластичности превращения и памяти формы в облучаемых образцах
1.8.2. Эффект памяти формы в сплаве 7ЇЛ7, стимулированный нейтронным облучением
1.9. Особенности кинетики мартенситных превращений в облучаемом нейтронами сплаве Cu-Al.Ni
1.10. Заключение по Главе 1
Глава 2. НЕУПРУГАЯ ДЕФОРМАЦИЯ НИКЕЛИДА ТИТАНА ПОД ДЕЙСТВИЕМ ВСЕСТОРОННЕГО ДАВЛЕНИЯ
2.1. Объекты исследования и методика проведения экспериментов
2.2. Результаты экспериментов
2.2.1. Обратимое неупругое деформирование никелида титана в условиях действия постоянного гидростатического давления
2.2.2. Эффекты памяти формы и пластин/юсти превращения в никелиде титана, инициируемые изменением давления
2.2.3. Температурная задержка мартенситного превращения, инициированная изменением давления
2.2.4. Особенности влияния давления на обратилюе деформирование никелида титана при нагревании под
4
нагрузкой
2.3. Компьютерное моделирование неупругого
деформирования никелида титана под действием всестороннего давления 141
2.4. Заключение по Главе 2 145 Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ И КОМПЬЮТЕРНОЕ
МОДЕЛИРОВАНИЕ ДЕЙСТВИЯ
УЛЬТРАЗВУКА НА СПЛАВ ТІМ 148
3.1. Методы и подходы решения поставленной задачи. Объекты исследования 154
3.2. Моделирование акустопластического эффекта 156
3.2.1. Экспериментальное моделирование акустопластического эффекта в сплаве ТіМ в предположении теплового действия ультразвука 156
3.2.2. Компьютерное моделирование акустопластического эффекта в сплаве 77М в предположении теплового действия ультразвука 162
3.2.3. Компьютерное моделирование акустопластического эффекта в сплаве Г/М в предположении действия фактора переменных напряжений 168
3.2.4. Компьютерное моделирование акустопластического эффекта в сплаве 77'М в предположении одновременного действия температуры и переменных напряжений 175
3.3. Моделирование действия ультразвука на эффекты пластичности превращения и памяти формы в сплаве ТІІЧІ 179
3.3.1. Экспериментальное исследование влияния знакопеременного напряжения на изменение деформации при
5
охлаждении и нагревании сплава 77М под постоянным напряжением.
3.3.2. Компьютерное моделирование действия знакопеременного напряжения на изменение деформации при охлаждении и нагревании сплава 77Л7 под постоянным напряжением
3.4. Сопоставление результатов моделирования с данными известных экспериментов с ультразвуком
3.5. Влияние ультразвуковых колебаний на эффект генерации реактивных напряжений в сплаве ИМ
3.6. Заключение но Главе 3
Глава 4. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В МЕХАНИЧЕСКУЮ ПРИ ПОВТОРЯЮЩИХСЯ ТЕРМОЦИКЛАХ
4.1. Работоспособность в режиме программированного изменения напряжений
4.2. Механическое поведение и работоспособность в режиме заданной траектории перемещения
4.3. Коэффициент полезного действия и цикл Карно
4.4. Заключение по Главе 4 ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
180
186
190
195
199
202
207
215
234
245
246 252
6
ВВЕДЕНИЕ
Больше 50-ти лет прошло с тех пор, как американский металлофизик William J. Buehler получил первые лабораторные образцы сплава Ti-Ni, содержащего равное количество атомов титана и никеля [159,183,218]. Это явилось историческим событием, поскольку вызвало резкий рост числа работ по исследованию термоупругих мартенситных превращений и эффекта памяти формы в сплавах, особенностей их кристаллического строения. Появилось огромное число предложений по использованию никелида титана и других материалов с памятью формы в технике и медицине [84,105,117,135,139,149,200,204,215]. Интерес к материалам на основе композиции TiNi не уменьшается и до настоящего времени. Свойства никелида титана действительно уникальны. Сплав демонстрирует большой по величине эффект памяти формы (восстанавливаемая при нагревании деформация достигает 8-5-10%) и другие эффекты, связанные с обратимостью больших неупругих деформаций такие, как пластичность превращения, i-енерация реактивных напряжений, псевдоупругость, обратимая память формы [89,143]. Кроме того, прочность, пластичность и характеристики коррозионной стойкости сплава TiNi сопоставимы с таковыми для нержавеющей стали. Он обладает высокой демпфирующей способностью, хорошо обрабатывается резанием и давлением. Никелид титана биоинертен и совместим с мышечной и костной тканями живых организмов. Неудивительно, что материал с таким набором замечательных свойств находит и будет находить применение в технике и медицине при разработке новых конструкций и технологий.
Технические проблемы, решаемые путем использования сплава TiNi весьма разнообразны. Патентная литература насчитывает многие сотни наименований и содержит описание самотрансформирующихся конструкций, крепежных изделий, соединительных узлов, прессов,
7
термодатчиков и т.п.[118]. Огромна сфера использования материалов с памятью в медицине [44,48,49,69,114]. Особое внимание сейчас уделяется созданию микромеханических приводов для осуществления малотравматических операций на внутренних органах. Многие из подобных операций стали возможны только в результате применения никелида титана. В целом заметим, что с каждым годом в мире растет активность, связанная с разнообразными приложениями сплавов с эффектом памяти формы. В разных странах созданы десятки фирм, специализирующихся именно в этом направлении. С 1994 года регулярно проводятся международные конференции “Shape Memory and Superelastic Technologies (SMST)”, имеющие прикладной характер.
Основой для использования сплавов на основе никелида титана являются многочисленные исследования фундаментального характера, касающиеся изучения фазовых превращений, структуры, механизмов деформации и функциональных свойств никелида титана [39, 93, 104,105, 1)6,135,144,149,200,215,219]. Накопленные к настоящему времени знания позволяют достаточно надежно описывать и прогнозировать функционально-механическое поведение материала [95,105,215]. Заметим, однако, что это относится к достаточно простым режимам воздействия на сплав, например, путем изменения температуры через интервал фазовых переходов или изотермическою нагружения. В то же время, проекты технических приложений не ограничиваются лишь подобными условиями. Существуют весьма перспективные возможности разработки новых технологий, использующих уникальные свойства никелида титана в таких условиях, когда наряду с термическими и механическими изменениями металл подвергается действию постоянных или изменяющихся физических полей или космического излучения, радиации, высокого давления и т.д. Такие режимы воздействия на функциональный сплав будем называть сложными или комплексными. К ним можно относить и такие условия функционирования материала, когда необходимый результат достигается
8
при изменении напряжения, деформации и температуры по сложному закону во времени. Анализу функционально-механического поведения никслида титана при комплексных физико-мсханических воздействиях и посвящена настоящая работа.
Отметим несколько важных обстоятельств. Во-первых, совершенно понятно, что каждое из сложных воздействий имеет особую специфику и требует отдельного изучения. Невозможно обобщить результаты исследований сплава, скажем, в магнитном поле на случай облучения частицами высоких энергий. Во-вторых, возможность использования материалов с памятью формы может быть реализована только в том случае, если экспериментально установлены эмпирические закономерности изменения свойств сплава в тех или иных условиях; выявлена физическая природа таких изменений и разработаны теоретические модели для описания функционального поведения материала. Таким образом, необходимо выполнить большой объем экспериментальных и теоретических исследований для создания представлений об особенностях развития фазовых превращений и процессов обратимости неупругой деформации при комплексных физикомеханических воздействиях. Наконец, в-третьих, подчеркнем следующее. Несмотря на то, что подобные исследования стимулируются практическими потребностями, они в значительной степени способствуют появлению новых знаний об особенностях мартенситных превращений, способах их инициирования и методах модификации структуры и свойств материала, о физических причинах ранее неизвестных явлений, о способах прогнозирования поведения металла при комплексных физикомеханических воздействиях.
Как видно из изложенного, поле для исследований по обсуждаемой теме весьма широко. В настоящей работе в полном объеме изучены проблемы, связанные с действием Fia никелид титана нейтронного облучения, гидростатическо!о давления, ультразвуковых колебаний.
9
Кроме того, большое внимание уделено поведению сплавов на основе ИМ в составе тепловой машины, преобразующей тепло в механическую работу. По всем этим проблемам существуют многочисленные проекты разработки новых технологий с использованием эффекта памяти формы [1,6,74-76,79,80,107,109,122-
124,129,161,173,175,186,196-198,203,206]. Однако реализация большинства этих проектов сомнительна из-за недостаточности знаний о свойствах материала в различных условиях и способов прогноза его поведения. Состояние исследований на момент начала настоящей работы по каждой из обсуждаемых проблем представлено в соответствующих главах. В целом имеющиеся экспериментальные данные либо не полны и противоречивы, либо вовсе отсутствуют. Разработанные теоретические подходы к описанию свойств сплавов на основе ПМ при комплексных воздействиях зачастую базируются на слишком упрощенных и потому неверных предположениях. В связи со сказанным исследования функциональных свойств сплава ПМ при комплексных физико-
механических воздействиях является весьма актуальными.
Целью настоящей работы является установление закономерностей и особенностей мартснситных превращений и связанных с ними эффектов памяти формы в никелиде титана под действием нейтронного облучения, гидростатического давления, ультразвуковых колебаний и в режимах многократно повторяющихся циклов производства полезной работы. Для достижения поставленной цели решали следующие задачи:
1. Разработать методику исследования свойств материала
непосредственно в процессе облучения в атомном реакторе; выявить закономерности изменения температур маргенситных превращений в никелиде титана в процессе нейтронного облучения при различных температурах; определить тины структурных нарушений,
ответственных за такое изменение и на основании выявленных
феноменологических соотношений предложить способ для описания
10
и прогнозирования эволюции температур превращений в
процессе облучения. Установить возможность обобщения полученных результатов на другие материалы с термоупругими мартенситными превращениями.
2. Определить степень деградации эффекта памяти формы при нейтронном облучении и возможность стимуляции эффекта памяти формы в изотермических условиях.
3. Разработать методику механических испытаний сплава при постоянной или изменяющейся температуре в условиях постоянного или изменяющегося гидростатического давления; исследовать влияние гидростатического давления на температуры мартенситных превращений и на величину эффекта памяти формы в никелиде титана; установить закономерности проявления эффектов мартенситной неупругости при изменяющемся давлении и возможность инициирования этих эффектов за счет давления в изотермических условиях; выполнить компьютерные расчеты с использованием уравнений структурно-аналитической теории прочности и установить соответствие расчетных и экспериментальных данных.
4. Установить особенности механического поведения никелида титана при действии ультразвуковых колебаний; определить факторы недислокационной природы, влияющие на мартенситные превращения и механическое поведение сплава "ПМ при наложении ультразвука; экспериментально и расчетным путем показать, что при действии этих факторов никелид титана демонстрирует такое же физико-механическое поведение, что и под действием ультразвуковых колебаний.
5. Экспериментально исследовать способность сплавов на основе ТлЬП преобразовывать тепловую энергию в механическую; определить зависимость производимой работы от вида рабочего цикла, а также
от деформационных, силовых и температурных параметров
цикла; определить оптимальные режимы циклов производства полезной работы; на основе полученных экспериментальных данных оценить коэффициент полезного действия преобразования энергии; проанализировать возможность осуществления цикла Карно в материалах с термоупругими фазовыми переходами.
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения по работе.
В первой главе «Мартенситные превращения в сплавах и эффект памяти формы в условиях действия нейтронного облучения» представлены результаты исследования мартенситиых превращений, электрического сопротивления и эффекта памяти формы в облучаемых нейтронами сплавах ТП^й. Установлено, что температуры мартенситиых превращений понижаются с ростом флюенса быстрых нейтронов по экспоненциальному закону при температурах облучения, меньших 330 К. Электросопротивление при этом возрастает. Обнаруженные изменения обусловлены разупорядочением кристаллической структуры материала. При высокотемпературном облучении наблюдаются противоположные изменения: температуры фазовых превращений возрастают, а
электросопротивление уменьшается, что связано с радиационно стимулированным упорядочением кристаллической решетки никелида титана. Предложено дифференциальное уравнение для описания и прогнозирования изменения температур мартенситиых превращений в процессе нейтронного облучения при различных температурах из интервала 120К+470 К до флюенса 810|Хсм'2. Показано, что при
1 О
облучении до флюенса 7-10 см* никелид титана сохраняет способность накапливать и восстанавливать неупругую деформацию при фазовых переходах. Установлено, что эффект памяти формы в сплаве Т1№ может быть стимулирован облучением. Выполнено исследование сплава Си-А1-1М1
12
и установлены общие и отличительные черты эволюции температур мартенситных превращений в сплаве Си-А1-№ и в никелиде титана при нейтронном облучении.
Во второй главе «Неупругая деформация никелида титана под действием всестороннего давления» представлены результаты изучения функционально-механического поведения сплава в условиях
постоянного и изменяющегося гидростатического давления. Показано, что температуры как прямого, так и обратного превращений в никелиде титана смещаются в направлении низких температур с нарастанием давления. Однако это смещение происходит с разным темпом. Коэффициент барочувствительности для прямого перехода оказывается приблизительно в три раза меньшим, чем для обратного. Это указывает на неравенство нехимических движущих сил прямого и обратного превращений в присутствии давления и объясняется возникновением упругих напряжений в мартенсите вследствие анизотропии сжимаемости. Впервые установлена возможность инициирования эффектов пластичности превращения и памяти формы за счет изменения давления. Экспериментально обнаружено явление задержки фазового превращения и деформирования при изменяющемся давлении. Определены температурные интервалы проявления эффектов баростимулированного деформирования и задержки деформирования. Представлены результаты компьютерного моделирования экспериментально наблюдаемых феноменов.
В третьей главе «Экспериментальное и компьютерное моделирование действия ультразвука на сплав Т1ЫЬ> приведены результаты изучения процессов, определяющих аку стопластический эффект в никелиде титана и влияние ультразвуковых колебаний на эффекты пластичности превращения и памяти формы. В качестве основных факторов, ответственных за поведение никелида титана при действии ультразвука, рассматриваются 1) повышение температуры и 2) переменные напряжения. Разогрев металла, происходящий вследствие
13
диссипации энергии ультразвуковых колебаний, в
материалах с памятью формы приводит к резкому изменению механических свойств, в результате чего может наблюдаться акустопластический эффект. Переменные напряжения, в свою очередь, уменьшая эффективную «силу трения» стимулируют движение межфазных и междоменных границ в напряженном материале, тем самым вызывая дополнительное деформирование сплава. Экспериментально установлено, что возрастание температуры при испытаниях никелида титана в режиме кручения сопровождается как снижением напряжения течения (при деформировании в мартенситном состоянии), так и его возрастанием (при деформировании в аустенитном состоянии). Подобное поведение объясняется немонотонной зависимостью предела текучести от температуры в области фазовых превращений. Компьютерное моделирование показывает, что наложение переменных напряжений на квазистатическое напряжение приводит к разупрочнению сплава
независимо от его структурного состояния. Одновременное действие тепла и переменных напряжений сопровождается немонотонным изменением напряжения течения: напряжение сначала падает, а затем возрастает. Результаты моделирования хорошо соответствуют известным экспериментальным данным по действию ультразвука на характер пластического течения сплава П№. В экспериментах и с помощью компьютерного моделирования показано, что в ходе реализации эффектов пластичности превращения и памяти формы при постоянном напряжении кратковременное действие переменных нагрузок вызывает дополнительное приращение деформации в направлении действия статического
напряжения. Это обусловлено дополнительным стимулированием прямого и обратного превращений. Величина приращения деформации
максимальна в том случае, когда осциллирующие напряжения накладываются в середине температурного интервала фазовых переходов. Результаты экспериментального и компьютерного моделирования
14
сопоставляются с известными экспериментами по влиянию ультразвука на функционально-механическое поведение никелида титана. Хорошее соответствие результатов свидетельствует о том, что влияние ультразвука на свойства сплава объясняется его тепловым действием и особенностями поведения сплава при переменных нагрузках.
В четвертой главе «Преобразование тепловой энергии в механическую при повторяющихся термоциклах» представлены результаты исследования способности никелида титана к преобразованию тепловой энергии в механическую. Обсуждаются особенности механического поведения никелида титана и его сплавов в различных режимах производства работы. В цикле с фиксированными напряжениями установлено, что производимая сплавом работа возрастает с числом циклов. Определены оптимальные силовые и температурные режимы для получения максимальной полезной работы за цикл, которая может достигать ЮМДж/м3. В цикле с заданной траекторией перемещения рабочего тела установлены оптимальные деформационные характеристики: размах деформации и средняя деформация. Величина последней для сплава Ть№-Си составляет 15% и указывает на необходимость предварительного деформирования рабочего тела тепловой машины. Предварительное деформирование приводит к повышению дислокационного предела текучести, в результате чего процессы необратимой деформации в существенной мерс тормозятся. С использованием калориметрических измерений определены величины теплоемкости никелида титана и скрытой теплоты мартенситного превращения. Это позволило рассчитать коэффициент полезного действия преобразования энергии с помощью исследуемого сплава. КПД зависит от разности температур и других характеристик рабочего цикла, а его величина по сделанным оценкам не превышает 3 %. Предложен метод осуществления цикла Карно на мартенситиом превращении и проанализированы его характеристики.
15
На защиту выносятся следующие положения.
1. Закономерности изменения температур мартенситных превращений в никелиде титана в процессе облучения нейтронами атомного реактора при различных температурах.
2. Закономерности изменения температур мартенситных превращений в никелиде титана при изменении гидростатического давления.
3. Эффекты памяти формы и пластичности превращения, а также явления задержки деформирования, инициируемые изменением давления.
4. Представления о том, что акусгопластический эффект в никелиде титана объясняется специфической реакцией материала на повышение температуры и действие переменных напряжений.
5. Энергетические характеристики никелида титана и его сплавов в зависимости от деформационных, силовых и температурных параметров циклов производства полезной работы.
Выполненное диссертационное исследование может быть квалифицировано как научно-квалификационная работа, содержащая решение научной проблемы, имеющей важное хозяйственное значение.
По результатам исследований опубликовано 37 научных работ, из которых 13 соответствуют списку ВАК РФ, 2 коллективных монографии и 1 патент.
Результаты работы докладывались более чем на 30 научных симпозиумах.
Диссертация содержит 279 страниц, 115 рисунков, 5 таблиц. Список литературы состоит из описания 226 источников.
16
Глава 1. МАРТЕНСИТНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В СПЛАВАХ И ЭФФЕКТ ПАМЯТИ ФОРМЫ В УСЛОВИЯХ ДЕЙСТВИЯ НЕЙТРОННОГО ОБЛУЧЕНИЯ
Облучение потоками высокоэнергетичных частиц оказывает сильное влияние на структуру и физико-механические свойства материалов. Это влияние весьма разнообразно. Радиационные нарушения в виде атомных дефектов приводят к ускорению диффузионных процессов, что может вызывать образование новых фаз в стареющих материалах или, наоборот, способствовать растворению дисперсных фаз. Комплексы дефектов создают поля упругих напряжений, тормозят движение дислокаций, в результате чего материалы упрочняются и охрупчиваются [88]. Ядерные реакции, происходящие при облучении, приводят к возникновению новых атомов [140]. В сплавах радиационное воздействие стимулирует процессы упорядочения - разупорядочениия или аморфизации [57, 90, 209]. В целом действие радиации на металлы и сплавы зависит от природы частиц, их энергетического спектра, температуры облучения, структуры облучаемого материала [88, 140, 115].
Каждый вид излучения имеет свои особенности взаимодействия с кристаллическими твердыми телами. Нейтроны, являясь электрически нейтральными частицами, рассеиваются на атомных ядрах. Сечение рассеяния невелико, длина свободного пробега нейтрона в металлах исчисляется сантиметрами и в большинстве случаев превышает размеры исследуемого образца. Соударяясь с ядрами атомов кристалла, нейтроны передают им энергию, достигающую нескольких сотен килоэлектронвольт. Существует пороговая энергии, необходимая для выбивания атома из узла решетки и перевода его в междоузлие. Эта энергия смещения Е<1 зависит от атомного номера элемента и составляет 25 -г 40 эВ [140]. Первично выбитый атом вылетает из узла решетки и перемещаясь внутри кристалла совершает столкновения с другими атомами. Те, в свою очередь, также
17
могут быть выбиты из своих узлов и совершать новые столкновения. Таким образом развивается каскад столкновений, порождающий дефекты структуры [57, 61, 88, 111, 140]. Характерное время развития каскада % 10' 12 с [115]. Элементарным дефектом является пара Френкеля “вакансия -межузельный атом”. На заключительной стадии развития каскада столкновений, когда длина пробега атомов между столкновениями становится малой, образуются пики смещения. Они представляют собой область кристалла, охваченную хаотическими столкновениями большого числа атомов (порядка нескольких тысяч). После релаксации пика смещения кристаллическая структуры восстанавливается, но решетка в этой области становится несовершенной, насыщенной дефектами. Возникает разупорядоченная зона, внутренность которой насыщена вакансиями, а периферия - межузлиями. В дальнейшем образование структурных несовершенств зависит от целого ряда факторов, таких как химический состав металла, температура облучения, флюенс нейтронов, интенсивность облучения и т.д. Одиночные вакансии и межузельные атомы мигрируют по кристаллу, аннигилируют, уходят на стоки, образуют кластеры точечных дефектов, дислокационные петли межузельного и вакансионного типа и т.д. Потоки точечных дефектов приводят к ускорению диффузии, вследствие чего может происходить образование равновесных фаз или растворение неравновесных фазовых образований [88]. В упорядоченных сплавах могут происходить процессы разупорядочения или упорядочения, в зависимости от исходного состояния материала и температуры облучения [209]. В некоторых случаях при больших флюенсах (интегральных дозах) нейтронов, когда каскады столкновений перекрываются друг с другом, наблюдается аморфизация кристаллов. Последнее особенно характерно для интерметаллидов, к которым относится и один из самых известных сплавов с памятью формы - никелид титана [57]. Таким образом, облучение нейтронами является методом модификации структуры кристаллических твердых тел, а,
18
следовательно, и их структурно-зависимых свойств. Подчеркнем, что путем воздействия нейтронами возможно получать особые неравновесные состояния кристаллов, недостижимые при других способах обработки [115]. Поскольку материалы в таких состояниях могут обладать необычными электрическими, магнитными, механическими и другими свойствами, то они являются предметом особого внимания исследователей.
Изучение действия нейтронного облучения на материалы имеет и важнейший практический интерес. Ресурс работы атомных энергетических и исследовательских реакторов во многом определяется способностью материалов их узлов длительное время сохранять свои эксплуатационные свойства в условиях реакторного облучения. Никелид титана, проявляющий эффект памяти формы и являющийся одновременно хорошим конструкционным материалом, имеет широкие перспективы для использования в различных устройствах атомных и термоядерных установок. В работах [1, 74, 76, 78, 109, 161, 173, 175] обсуждаются возможности использования сплавов с памятью формы в ядерной технике для прямодействующих устройств срабатывания и трансформирующихся стрежней - поглотителей; воздействия на расход теплоносителя с помощью управляемой арматуры и самозапорных устройств; ремонта и монтажа в виде спецприспособлений; герметизации труб, уплотнения прокладок фланцев; термомеханических соединений труб и т.д. Анализируется возможность применения уникальных свойств никелида титана для быстрой замены сменных узлов термоядерных реакторов [196-198]. В то же время, несмотря на многочисленные предложения, пока отсутствуют данные по их успешной реализации. Причины такого положения дел весьма многочисленны. Одной из них, и по-видимому главной, является невозможность прогнозирования изменения функциональных свойств никелида титана в потоке нейтронов.
19
Влияние нейтронного облучения на свойства никелида титана и других сплавов с памятью изучали как отечественные, так и зарубежные исследователи в целом ряде работ [например, 58, 60, 121, 166, 168, 169]. Однако, анализ публикаций дает весьма противоречивую картину происходящих при облучении изменений структуры и свойств сплавов.
По имеющимся данным в Т1№ и сплавах на его основе при охлаждении мартенситное превращение не наблюдается вплоть до 170 К после облучения быстрыми нейтронами флюенсом более 5-1019 см'2 [54, 121]. Это интерпретируется как снижение температур превращения в результате облучения. Причины такого снижения авторы усматривают в разупорядочении и аморфизации кристаллической решетки, что следует из результатов исследования материалов дифракционными методами [35, 54, 55]. Естественно, что повреждение решетки потоком частиц должно приводить к уменьшению способности сплава к проявлению эффекта памяти формы. Это обнаружено в работе [121]. В то же время в работе [51] с помощью электронно-микроскопического анализа показано, что сплав ИМ демонстрирует высокую устойчивость структуры по отношению к воздействию потока нейтронов со средней энергией 1 МэВ до флюенса 6 1020 см"2 (Е>0) при температуре 673 К. Обнаруженные в [51] изменения структуры сводятся лишь к появлению немногочисленных, мелких дислокационных петель. Высокая фазовая стабильность сплавов ИЬН в условиях воздействия радиации отмечена в работе [182], где установлено несущественное изменение механических свойств, а также сохранение способности к возврату больших неуиругих деформаций после облучения в атомном реакторе флюенсом 2,2* КГ-' см’2.
В целом из анализа известных результатов можно утверждать, что при различных условиях облучения имеют место как очень сильные, так и незначительные изменения температурной кинетики мартенситных превращений и механического поведения материалов.
20
В связи со сказанным представляется актуальной задачей разработка метода прогностического расчета температур мартенситных превращений в сплаве Т1№, определяющих проявление его основных функционально-механических свойств. Очевидно, такой метод должен основываться, во-первых, на достоверных полномасштабных измерениях и, во-вторых, на физических моделях, адекватно описывающих структурные изменения сплава при различных температурных и радиационных воздействиях. Решение указанной задачи явилось целью исследований, выполненных в настоящей работе. Успех решения определялся выбором методики измерений свойств никелида титана и других сплавов с памятью формы, предусматривающей выполнение экспериментов с использованием активного петлевого облучательного устройства. Основные результаты выполненных исследований опубликованы в работах [18, 20, 23, 25-27, 29-33, 152, 153].
21
1.1. Методика проведении экспериментов и объекты
исследования
1.1.1. Низкотемпературная гелиевая петля реактора ВВР-М
Схематически устройство низкотемпературной гелиевой петли показано на рис. 1.1. Она расположена в одном из вертикальных каналов реактора ВВР-М ПИЯФ РАН и представляет собой две коаксиальные трубы разного диаметра. По внутренней трубе в петлю подается газообразный гелий, который отводит тепло от экспериментальной измерительной сборки (образца). Далее гелий проходит в пространстве между трубами, поступает в теплообменник и затем опять на вход иегли. Температуру сборки можно регулировать либо изменяя температуру газа на входе в петлю, либо изменяя скорость циркуляции гелия. Трубы, по которым прокачивается гелий, изолированы от теплоносителя вакуумной рубашкой.
Измерительная сборка помещается внутрь петли на уровень
активной зоны реактора. В качестве сборки может быть использован
облучаемый образец или облучаемый образец, помешенный в
измерительное устройство, предназначенное для измерения его
физических характеристик, например, электросопротивления, магнитной восприимчивости, постоянной Холла.
22
Рис. 1.1. Низкотемпературная гелиевая петля реактора ВВР-М.
От измерительной сборки наверх в надреакторную камеру выведены
контакты кабеля, через который подается питание и снимается полезный
аналоговый сигнал. Канал заглушен фланцем с герметичным
электрическим разъемом.
Плотность потока быстрых нейтронов (Ь>0,5 МэВ) при измерениях в
12 2 1
петле составляла 1=9-10 см' с' при работе реактора на мощности 14 МВт.
К достоинствам описываемого устройства относится не только то, что оно позволяет выполнять измерения непосредственно в процессе
23
облучения при постоянной температуре. Кроме этого, существует возможность изменения температуры по произвольной программе со скоростью 2-гЗ К мин'1. В результате в любой момент времени после набора определенной дозы (флюенса) нейтронов можно измерить температурную зависимость физической характеристики образца и тем самым получить сведения об изменении его свойств.
В наших экспериментах измеряли электросопротивление проволочных образцов никелида титана. Электрическое сопротивление, как известно, является чувствительной характеристикой как по отношению к мартенситным превращениям в никелиде титана, так и к радиационным повреждениям структуры таким, как, например, точечные дефекты, их комплексы, изменение степени дальнего порядка [2, 50, 56, 165, 211]. Электросопротивление измеряли четырех зондовым методом, а температуру - с помощью медь-константановой термопары. Все измерения выполняли непрерывно на протяжении всего эксперимента. Каждое значение электросопротивления определялось как среднее из четырех измерений, отличающихся полярностью токовых и потенциальных сигналов. Это позволяло устранить возможное влияние термо-эдс, возникающей при контакте разнородных проводников.
На протяжении одного эксперимента, как правило, температуру облучения Т{Г поддерживали постоянной. Периодически, для получения зависимостей электросопротивления от температуры, производили нагрев (или охлаждение) образца через интервал мартенситных превращений с последующим возвратом к температуре облучения. В некоторых случаях после набора определенного флюенса резко изменяли температуру облучения и продолжали эксперимент при иной температуре. На рис. 1.2 в качестве примера показано изменение температуры от времени в одном из таких экспериментов. Здесь облучение до флюенса быстрых нейтронов
| о л
5,5* 10 см’ осуществляли при температуре Т|Г = 120 ± 7 К (в мартенситном состоянии сплавов), после чего температуру повышали, и дальнейшее
24
облучение происходило при 335 ± 10 К (в аустенитном состоянии). Острые пики на зависимости соответствуют циклам нагревания и охлаждения, во время которых записывали температурные зависимости электрического сопротивления. Промежуток времени а-Ь на рисунке соответствует остановке реактора, во время которой циркуляция гелия в канале была прекращена, и температура установилась на уровне 330 К, с кратковременным подъемом до 380 К при возобновлении облучения. Перед началом периода облучения при Т1Г = 335 К температура образцов по техническим причинам была повышена до 400 К в течение 20 минут (температурный пик С на рис. 1.2).
Диаграммы, подобные той, что изображена на рис. 1.1, дают детальное представление о температурном режиме облучения в петле.
Время, час
Рис. 1.2. График температурного режима облучения.
1.1.2. Материалы и образцы
В экспериментах использовали проволочные образцы равноатомного никелида титана различных производителей. Образцы имели диаметр
25
0,5 мм и длину 30 мм. В состоянии поставки проволока была деформирована в результате последнего передела при вытяжке на 20-г25 % по сужению. Часть образцов подвергали облучению без дополнительной термообработки, другую часть отжигали при 770 К в течение 2 часов в атмосфере аргона. Образцы перед измерениями многократно термоциклировали через интервал температур превращений с целью стабилизации свойств. Непосредственно перед установкой в канале реактора производили измерения температурной зависимости электросопротивления, по которой определяли температуры мартенситных переходов. Данные по пяти испытанным образцам представлены в таблице 1.1 и на рис. 1.3. На рисунке стрелками показаны температуры, соответствующие различным превращениям в никелиде титана. Температуре Тк начала перехода В2—>К при охлаждении будем сопоставлять момент начала аномального подъема электросопротивления; температуре М$ начала перехода К(В2)—»В 19' - точку начала падения электрического сопротивления при охлаждении на зависимости р(Т); температуре М, окончания превращения в В19-мартенсит - выход на линейную зависимость сопротивления от температуры. Способ определения характеристических температур мартенситных превращений по результатам измерения температурных зависимостей электрического сопротивления иллюстрируется на рис. 1.4.
Как видно из рис. 1.3, ход температурных зависимостей сопротивления существенно различается для термообработанных и не обработанных образцов. В образцах N1, N2 и N3 при охлаждении реализуется последовательность превращений В2—>11—>В 19', а при нагревании, по-видимому, мартенсит В19' превращается сразу в В2-аустенит.