Влияние легирования на поведение гелия и развитие газовой пористости в ОЦК и ГЦК материалах

• Автор: Чернов, Иван Ильич
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 271 с. : ил

ОСНОВНЫЕ ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И
СОКРАЩЕНИЯ

а - скорость нагрева, К/с
Р - коэффициент ре-эмиссии
Л - коэффициент захвата
Р - плотность пор/пузырьков, м'
й - плотность дислокационных петель, м"
а - напряжение, МПа
т - время
аррт — atomic parts per million (число атомов газа на миллион атомов металла)
D - коэффициент диффузии, м2/с
d - размер пор/пузырьков, нм
di - размер дислокационных петель, нм
Е - энергия, эВ
Я, - микротвердость, МПа
А„е - концентрация гелия, ат.%
Nx - концентрация легирующего элементах в сплаве, мае. %
а1 - внутренне трение
лР - средний проективный пробег ионов в материале
5 - распухание, %
5* - коэффициент эрозии, ат./м
Т, Тпл, “ температура, температура плавления и температура максимума, °С, К
вое - вызванная облучением сегрегация
ВТРО - высокотемпературное радиационное охрупчивание
ПЭМ просвечивающая электронная микроскопия
СНА - число смещений на атом
тде - термодесорбционная спектрометрия
ТЯР - термоядерный реактор
Ф,Фщ» - флюенс, критический флюенс блистерообразования, шелушения и обрыва блистеринга, м"
ф'%, Ф'кр

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. РОЛЬ ГЕЛИЯ В РАДИАЦИОННЫХ ЭФФЕКТАХ В
ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ
1.1. Роль гелия в эволюции микроструктуры, изменении
механических свойств и радиационной эрозии поверхности материалов
1.2. Накопление гелия в конструкционных материалах
ядерных и термоядерных реакторов
1.3. Поведение гелия в материалах
1.4. Дозовая и температурная зависимости развития
микроструктуры при ионном облучении
1.4.1. Послерадиационный отжиг образцов, облученных при
низкой температуре
1.4.2. Высокотемпературное облучение
1.4Л. Эффекты радиационного повреждения
1.5. Выводы
ГЛАВА 2. МЕТОДИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
ПОВЕДЕНИЯ ГЕЛИЯ В МАТЕРИАЛАХ И РАДИАЦИОННОЙ ЭРОЗИИ
Составы исследованных материалов и их обработка
Модельные сплавы и стали
Конструкционные стали и сплавы
Приготовление образцов для исследования
Условия облучения материалов
Облучение ионами гелия
Оценка степени радиационных повреждений при ионном облучении
Облучение материалов нейтронами
Методы исследования структуры, физикомеханических свойств и топографии поверхности материалов
Электронно-микроскопическое исследование структуры и топографии поверхности материалов
Измерение удельного электросопротивления
Измерение внутреннего трения
Метод аннигиляции позитронов
Методы металлографии и авторадиографии

2.1.1.
2.1.2.

23.1.
23.2.

2.4.1.
2.4.2. 2.43.
2.4.4.
2.4.5.

2.8. 2.9.

2.9.2.
2.9.3.
2.9.4.
ГЛАВА 3.

3.1.1.
3.1.2.
3.1.3. 3.2.
3.2.1.
3.2.2.
3.2.2.1.
3.2.2.2. 3.2.23. З.2.2.4.

ГЛАВА 4.

4.1.1.
Термодесорбционное исследование
Исследование распределения внедренного гелия
Измерение параметра решетки
Измерение микротвердости
Анализ исходного состояния модельных и
конструкционных сталей и сплавов
Сплавы внедрения
Сплавы замещения и конструкционные стали
Обсуждение результатов
Выводы
ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПОВЕДЕНИЯ ГЕЛИЯ И ВЛИЯНИЕ ВНУТРЕННИХ И ВНЕШНИХ ФАКТОРОВ НА РАЗВИТИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ ПРИ ИОННОМ ОБЛУЧЕНИИ
Закономерности поведения гелия и формирования газовой пористости при ионном облучении Закономерности захвата и выделения ионно-внедренного гелия
Дозовая зависимость развития микроструктуры Температурная зависимость развития микроструктуры Поведение гелия и развитие микроструктуры под воздействием внутренних и внешних факторов Перераспределение гелия под воздействием внутренних напряжений Влияние растягивающих напряжений Радиационное повреждение при облучении нагруженных образцов
Распределение гелия и развитие микроструктуры по глубине мишени
Микроструктура и газовыделение при высокотемпературном деформировании Микроструктура и газовыделение при низкотемпературном деформировании Обсуждение результатов Выводы
ВЛИЯНИЕ УГЛЕРОДА НА СТРУКТУРНУЮ ПОВРЕЖДАЕМОСТЬ И ПОВЕДЕНИЕ ГЕЛИЯ В МЕТАЛЛАХ
Роль углерода в развитии дефектной структуры и газовой пористости в никеле, железе и сталях Облучение а-частицами с энергией 29 МэВ и нейтронами

трации гелия можно считать, что вновь внедряемый гелий поступает в пузырьки и концентрация его в решетке снижается.
При этом уравнение баланса гелия может быть представлено в виде [10]:
Гне « (1.9)
где Уце — скорость образования атомов гелия; гь - средний радиус пузырьков; П^не - эффективный коэффициент диффузии гелия;
ЛГ*не - максимальная концентрация атомов гелия в решетке; 7У*ь - концентрация пузырьков при т = т*.
Первые пузырьки, разрешимые в ПЭМ, распределены в матрице хаотически и их плотность невысока. С увеличением времени облучения (флюен-са) их концентрация возрастает и выходит на насыщение при некоторой величине М,тах [14]. При относительно невысокой температуре и высоких флю-енсах облучения ионами гелия (практически с Ф > 1021 м~2) формирующиеся пузырьки образуют упорядоченную структуру (сверхрешетку), а вид сверхрешетки пузырьков, как правило, совпадает с типом кристаллической решетки облучаемого металла [15, 17]. В сверхрешетке плотность пузырьков максимальна (М> = М>пи1Х ~ 1024-1025 м"3) при их среднем размере несколько нанометров [15].
Для изучения закономерностей формирования и механизмов роста пузырьков обычно используют эксперименты двух видов: послерадиационный изохронный отжиг образцов, облученных при низкой температуре, или облучение непосредственно при высокой температуре [21].
В первом случае информация о первоначальном состоянии гелий-вакансионных кластеров незначительна, и нельзя делать определенных выводов о процессе зарождения пузырьков. Однако по кинетике роста пузырьков можно получить информацию о механизмах их роста, миграции или диссоциации газа из пузырьков. В случае непрерывного внедрения газа при высокой температуре можно получить информацию о процессе зарождения пузырьков, но точно определить флюенс, при котором они зарождаются, сложно, так как пузырьки достигают размеров и плотности, необходимых для экспериментального обнаружения, уже при более высоких флюенсах.
1.4.1. Послерадиационный отжиг образцов, облученных при низкой температуре
Как показано выше (п. 1.3), в металлах и сплавах, обычно используе- г мых в качестве конструкционных материалов в реакторостроении, гелий
Рис. 1.15. Изменение концентрации гелия в решетке Ипе и объемной концентрации пузырьков М> от времени облучения [10]