ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение..................................................4
Глава 1. - Механизмы радиационного охрупчивания и процессы самоорганизации в реакторных материалах
1.1. Характеристики радиационного охрупчивания материалов.............................................9
1.2. Механизмы низкотемпературного радиационною охрупчивания ОЦК - металлов............................14
1.3. Пластическая нестабильность и дислокационное каналирование в облученных деформируемых материалах.............................................19
1.4. Процессы самоорганизации в облученных деформируемых материалах................................26
Выводы к главе 1........................................35
Глава 2. - Связь эффектов радиационного упрочнения и охрупчивания материалов с параметрами облучения
2.1. Кривые растяжения и природа радиационных эффектов................................................36
2.2. Влияние облучения на параметры деформационного упрочнения материалов...................................42
2.3. Моделирование дозовых зависимостей равномерного удлинения материалов....................................46
Выводы к главе 2........................................54
Глава 3. - Моделирование эволюции плотности дислокаций в деформируемых облученных материалах
3.1. Ансамбли дислокаций................................55
3.2. Общее определение функции распределения плотностей потоков дислокаций...........................59
3.3. Модели формирования дислокационных структур при пластическом течении кристаллов........................64
3.4. Линейный анализ устойчивости эволюционных уравнений относительно флуктуаций плотности дислокаций............................................
3.5. Роль внутренних напряжений в эволюции дислокационных ансамблей в деформируемых облученных материалах.................................
3.6. Модель эволюции плотности дислокаций в деформируемых облученных материалах, основанная на уравнении
Курамото-Сивашинского...........................
Выводы к главе 3.......................................
Глава 4. - Дислокационное каналирование и влияние уровней пластической деформации на охрупчивание материалов
4.1. Каналирование дислокаций в облученных материалах............................................
4.2. Масштабные уровни деформационных процессов в твердых телах.............................
4.3. Влияние микро- и мезо-уровней пластической деформации на радиационное охрупчивание материалов............................................
Выводы к главе 4.......................................
Заключение................................................
Список обозначений и условных сокращений..................
Приложение 1..............................................
Библиографический список..................................
Введение
Актуальность темы. В условиях интенсивного развития ядерной энергетики, которая составляет значительную долю всей электроэнергии, вырабатываемой в России, предъявляются особые требования к реакторным материалам. Среди этих требований важнейшее место занимает необходимость сохранения в процессе длительной эксплуатации высокого уровня механических свойств, как элементов активной зоны, так и корпусов ядерных реакторов. К сожалению, именно поведение механических характеристик оказывается одним из главных факторов, ограничивающих работоспособность реакторных материалов.
Достаточно сказать, что уже при низких дозах облучения (-0,1 сна) практически все материалы снижают свои пластические свойства реакторных материалов, то есть подвержены радиационному охрупчиванию, имеющему место как при высоких, так и низких температурах эксплуатации.
В связи с этим исследование физических закономерностей радиационного охрупчивания и связанных с ним явлений представляется одной из актуальнейших задач, решение которой дает возможность предвидеть поведение определенного материала в конкретных радиационных условиях.
Несмотря на длительное время, прошедшее с начала работ по изучению природы охрупчивания, не была создана теория, которая бы позволила с единых позиций описать поведение деформируемого в широком интервале температур облученного материала. Не учитывался факт динамического характера пластической деформации и связанный с этим целый класс явлений: неоднородность и пластическая нестабильность материала, изменение свойств дислокаций, не принимался во внимание современный подход к деформируемому твердому телу, как к открытой диссипативной системе, подчиняющейся законам синергетики.
Именно этому посвящена настоящая диссертационная работа, которая выполнена на физико-математическом факультете БелГУ в рамках
4
государственных программ и НИР, проводимых в БелГУ в пределах программ Российской Федерации.
Цель н задачи исследования. Целыо данной работы является: установление различных физических закономерностей и механизмов, выявляющих механические свойства металлических материалов, подвергающихся воздействию деформации и облучения в широком интервале температур, на основе методов математического моделирования и синергетического подхода к рассматриваемому кругу физических явлений. Для достижения поставленной цели были решены следующие основные задачи:
1. Проведен анализ и дано описание различного вида зависимостей радиационного охрупчивания реакторных материалов от дозы облучения.
2. Предложено описание эффектов дислокационного каналирования в
облученных деформируемых материалах.
3. Дано описание процесса формирования полос Чернова - Людерса в облученных материалах.
4. Предложено описание процесса формирования пространственно-
временных квазипериодичсских дислокационных структур в облученных деформированных материалах.
Научная новизна работы характеризуется тем, что в ней впервые:
1) предложено описание различного вида зависимостей величины
радиационного охрупчивания реакторных материалов от дозы облучения;
2) предложено описание эффекта дислокационного каналирования в
облученных деформируемых материалах с учетом зависимости функции распределения дислокаций в ансамбле от скорости дислокаций;
3) дано описание процесса формирования полос Чернова - Людерса с учетом влияния облучения на рост внутренних напряжений в материалах;
4) предложено описание процесса формирования пространственно-
временных квазипериодических дислокационных структур на развитых стадиях пластической деформации в облученных материалах;
5) разработаны компьютерные программы для численного решения
5
эволюционных уравнений для флуктуации плотности дислокаций, а также численного анализа кривых растяжения исходных и облученных материалов.
Практическая значимость полученных результатов. Проведенные в данной работе исследования способствуют формированию современных физических представлений о свойствах деформируемого облученного металлического материала в широком интервале доз облучения и условий испытаний.
Полученные в диссертации дозовые зависимости механических характеристик материалов, применяемых в реакторостроении, позволяют прогнозировать работоспособность деталей и узлов ядерных энергетических установок.
Развитое в диссертации описание процессов формирования дислокационных структур в облученных деформируемых материалах на основе эволюционных уравнений позволяет предложить подход к минимизации эффекта радиационного охрупчивания.
Использование развиваемой синергетической концепции радиационного охрупчивания дает возможность с единой общефизической точки зрения взглянуть на множество эффектов, связанных с физикой радиационных явлений облученных деформируемых материалов.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Построение различного вида зависимостей величины радиационного охрупчивания реакторных материалов от дозы облучения. Установлено, что и монотонный, и немонотонный ход дозовой зависимости равномерного удлинения образца определяется видом зависимости плотности дислокационных петель от дозы облучения.
2. Формирование фронта полосы Чернова - Людерса обязано наличию в эволюционном уравнении для плотности дислокаций нелинейного члена, называемого бюргеровской нелинейностью.
6
3. Описание процесса образования пространственно - временных самоорганизующихся дислокационных структур. Показано качественное согласие распределения дислокационной плотности по длине образца с экспериментально обнаруженным распределением деформаций по образцу, так называемыми релаксационными волнами Данилова - Зуева.
4. Описание эффекта дислокационного каналирования в облученных деформируемых материалах с учетом зависимости функции распределения дислокаций в ансамбле от скорости дислокаций.
5. Влияние иерархии структурных уровней пластической деформации и пластической нестабильности на радиационное охрупчиване в рамках синергетической концепции.
Личный вклад соискателя в проведение исследований и получение результатов является определяющим. Все результаты, представленные в диссертации, получены самим автором, либо при его непосредственном участии. При выполнении работ по теме диссертации автор принимал участие в постановке задач и непосредственно осуществлял их решение.
Апробации результатов работы. Основные положения и результаты работы исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на международной конференции «Наука о материалах на рубеже веков: достижения и вызовы времени» (Киев, 2002), между народной конференции по квантовой электродинамике и статистической физике памяти академика Ахиезера (Харьков, 2002), 1Х-ом (Севастополь, 1999), Х-ом (Севастополь, 2000), Х1-ом (Севастополь, 2001) межнациональных совещаниях “Радиационная физика твердого тела”, на XX международной конференции «Релаксационные явления в твердых телах» (Воронеж, 1999), на VIII (Белгород, 1999), IX (Белгород, 2001) межгосударственной конференции «Радиационная повреждаемость и работоспособность конструкционных материалов», на международных конференциях по развитию радиационных явлений и радиационного материаловедения (Алушта, 2000, 2002), на X Международной
7
конференции по материалам термоядерного синтеза (ІСБЯМ-Х, Баден-Баден (Германия), 2001).
Публикации. Основные положения и результаты работы исследований по теме диссертации опубликованы в 15 работах.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка использованной литературы из 185 наименований.
Глава 1.
Механизмы радиационного охрупчивания и процессы самоорганизации в
реакторных материалах
Проблема сохранения длительной работоспособности реакторных материалов на необходимом уровне представляет собой главную проблему в радиационном материаловедении. Ее решение точно связанно с одним из самых актуальных вопросов радиационной физики твердого тела, именно, изучением влияния воздействия на механические свойства реакторных материалов. В этой главе дан краткий обзор по некоторым актуальным вопросам, возникающим в физике реакторного охрупчивания, как то, связи структуры дефектов с величиной радиационного охрупчивания металлов с различным типом кристаллической решетки, влияние облучения на пластическую нестабильность с учетом современных представлений о деформируемых материалах как открытых диссипативных системах и др.
Отметим, что на сегодняшний день существует несколько полноценных монографий коллективов авторов, руководимых А.М. Паршиным, И.М. Неклюдовым, Н.В. Камышанченко, посвященных радиационной физике твердого тела [1-3]. Однако данный обзор будет касаться вопросов, не освященных в этих монографиях.
1.1. Характеристики радиационного охрупчивания материалов.
Как известно, явление радиационного охрупчивания состоит в сильном снижении пластических свойств материалов при воздействии на них облучения. Можно выделить следующие виды радиационного охрупчивания:
1. Низкотемпературное радиационное охрупчивание (НТРО) при температурах испытания, не больших 0,4 Тпл (Тпл - температура плавления):
а) радиационное охрупчивание пластических материалов (аустенитные стали, никель и другие ГЦК - материалы) без
I
9
хрупко-вязкого перехода,
Ь) радиационное охрупчивание материалов (ферритные и ферритоперлитные корпусные стали, большинство ОЦК - материалов и др.) с вязко-хрупким переходом;
2. Высокотемпературное радиационное охрупчивание, возникающее у всех облученных поликристаллических материалов при температурах испытания, больших 0,45-гО,5 Тпл.
Радиационное охрупчивание пластичных материалов можно изучать с помощью изменения кривых растяжения, в частности, равномерного и общего удлинения. Степень радиационного охрупчивания принято характеризовать величиной
— = 5М‘ ~ . 100%
5Ш
где 6М и - относительные удлинения исходного и облученного
материалов, соответственно.
100 300 500 700 Т,°с
100 300 500 700 900
Рис. 1.1. Температурные зависимости предела прочности сгв, предела текучести сг0 2 и общего удлинения 6 стали ОХ16Н15МЗБ, облученной
0/1 о
нейтронами до флюенса 1-10“ нейтр./м (энергия Е>0,1 Мэв). Светлыми символами обозначены зависимости для необлученных образцов, темными символами - для облученных.
Рис. 1.1. показывает типичные температурные зависимости основных механических характеристик (предела прочности <ув, предела текучести сг0 2 и
общего удлинения б) облученных материалов на примере аустенитной стали
ОХ16Н15МЗБ [4]. Из рисунка видно, что область НТРО соответствует температурам испытаний < 600°С, а область ВТРО - температурам испытаний > 700°С.
Отметим, что НТРО послерадиационным отжигом удается устранить в значительной степени [5]. В случае НТРО наблюдается эффект радиационного упрочнения Асг = (Уігга(і “ суіпц, где схггаЛ и сгш - напряжения течения материалов в облученном и исходном состояниях, соответственно (см. рис.
1.1.а). Кроме того, снижается равномерное удлинение материалов и не происходит значительного изменения поперечного сужения.
Что касается ВТРО, то оно не устраняется послерадиационным отжигом и, по большей части, не связано с радиационным упрочнением [5].
Деформация, %
Рис. 1.2. Кривые растяжения аустенитной нержавеющей стали типа 316Ь в облученном до флюенса 6 1025 нейтр./м2 (1) и исходном (2) состояниях, при температуре испытания и облучения, равной 250°С.
Рис. 1.1.а подтверждает также такие общие тенденции воздействия облучения нейтронами на металлические материалы как увеличение предела
11
текучести стали, повышение, более чем в 10 раз, напряжения течения у отожженных чистых металлов [4]. Для примера на рис. 1.2., в подтверждение сказанного, представлены кривые растяжения аустенитной нержавеющей стали в исходном и облученном нейтронами состояниях [6].
В результате облучения сильно изменяется микроструктура материалов. При температурах облучения, не превышающих 300°С, появляется высокая плотность кластеров радиационных дефектов с размерами до 5 нм, могут наблюдаться петли Франка с размерами 9-гЗО нм [6-9].
В микроструктуре образцов, облученных при температурах, выше 300°С, появляются поры и гелиевые пузырьки, радиационно-индуцированные или радиационно-стимулированные выделения [1-3,6,8].
Указанные типы радиационных дефектов существенно влияют на движение дислокаций в деформированных облученных материалах. Установленные механизмы влияния некоторых типов радиационных дефектов на движение дислокаций отражены в формулах, приведенных в таблице 1.1. [2,10].
Таблица 1.1.
Тип дефекта Выражение для радиационного упрочнения для данного типа дефекта
Дислокационные петли Р\
Г азонаполненные поры Д<=Х^А(1п-+о,38) Р° Гс/
Выделения ■ уР-“-
Дислокации Ра
Вакансионные кластеры
12
- Київ+380960830922