Исследование внутренних механических напряжений методом нейтронной дифракции

• Автор: Бокучава, Гизо Дазмирович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Дубна
• Количество страниц: 102 с.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
Глава 1. Внутренние механические напряжения в материалах
1.1. Элементы теории упругости
1.2. Макро-и микронапряжения
1.3. Текстура
1.4. Методы исследования внутренних механических напряжений
Глава 2. Исследование внутренних напряжений методом дифракции
нейтронов
2.1. Особенности нейтронного метода
2.2. Основные принципы RTOF-дифрактометрии
2.3. Сравнение X-const, TOF- и RTOF-дифрактометров
2.4. Оборудование для проведения исследований. Основные параметры ФДВР
Глава 3. Исследование механических свойств аустенитной стали
3.1. Поведение аустенитной стали при внешней одноосной нагрузке
3.2. Свойства аустенитной стали с циклической усталостью
Глава 4. Остаточные внутренние напряжения в композитах и
градиентных материалах
4.1. Анализ остаточных напряжений в композитах с керамической матрицей AI2O3/AI в зависимости от содержания металлической фазы и микроструктуры
4.2. Остаточные напряжения в градиентных материалах W/Cu
Глава 5. Исследование остаточных напряжений в холоднокатаных
стальных дисках
5.1. Образцы и постановка экспериментов
5.2. Результаты экспериментов и их обсуждение
5.3. Сравнение нейтронных данных с результатами ультразвуковых и магнитных
исследований
Заключение
Благодарности
Литература

Введение
Исследование внутренних механических напряжений в материалах имеет как фундаментальное научное, так и прикладное значение. К фундаментальным проблемам обычно относят изучение деформаций и микродеформаций в кристаллах, возникающих при структурных фазовых переходах, деформаций, образующихся в многофазных системах, влияния текстуры материала на его механические свойства, а также задачу определения размеров кристаллитов и плотности дислокаций и их связи с внутренними напряжениями. Прикладные исследования направлены на изучение внутренних напряжений в промышленных изделиях для оптимизации соответствующих технологических процессов. К ним, например, относятся экспериментальное определение остаточных напряжений, возникающих после различных технологических операций (сварки, проката, отжига, закалки и т.д.), деформаций, возникающих под воздействием циклических нагрузок (механических и термических), радиационного облучения (например, воздействия нейтронного облучения на мартенситные превращения), гидрогенизации и др. Быстро развивающимся направлением является также исследование механических свойств новых перспективных материалов (композитов, градиентных материалов, армированных систем, металлокерамик, сплавов с памятью формы и т.д.) с целью выявления их пригодности для применения в тех или иных промышленных изделиях. Кроме того, представляет интерес экспериментальная проверка различных теоретических методов расчета напряжений.
Для исследования внутренних напряжений в материалах уже много лет используются различные методики неразрушающего контроля: дифракция рентгеновских лучей,
ультразвуковое сканирование, различные магнитные методики (измерения магнитной индукции, проницаемости, анизотропии, эффекта Баркхаузена, магнитоакустических эффектов). Однако все эти методы имеют определенные ограничения. Например, с помощью рассеяния рентгеновских лучей и магнитных методов можно исследовать напряжения только вблизи поверхности материала вследствие их малой глубины проникновения (~100 мкм); кроме того, применение магнитных методов ограничено ферромагнитными материалами. Также на магнитные и ультразвуковые методы сильное влияние оказывает наличие текстуры в образце.
Среди всех этих методик изучение напряжений при помощи дифракции нейтронов стоит на особом месте, так как этот метод, по сравнению с остальными, практически не имеет ограничений. Данный метод появился около 15 лет назад и получил широкое

распространение из-за ряда существенных преимуществ по сравнению с традиционными методиками. В отличие от традиционных методов, нейтроны могут проникать в материал на глубину до 2-3 см для сталей и до 10 см для алюминия. Достоинства метода дифракции нейтронов настолько существенны, что в течение последних 15 лет практически во всех современных нейтронных центрах созданы специализированные дифрактометры для изучения внутренних напряжений. Они созданы как на реакторах постоянной мощности -наиболее известные в Chalk River (Канада), ILL (Франция), HMI (Германия), так и на импульсных источниках нейтронов - в Los Alamos (США), RAL (Великобритания).
В ЛНФ ОИЯИ с середины 90-х годов началась систематическая работа по определению внутренних напряжений в объемных изделиях на нейтронном фурье-дифрактометре высокого разрешения (ФДВР), установленном на 5-м канале реактора ИБР-2. Выполненные эксперименты показали эффективность фурье-дифрактометра для решения поставленных задач. За несколько лет работы на дифрактометре ФДВР проведен ряд экспериментов, характеризующих основные направления в этой области исследований: изучение механических свойств материалов при различных режимах нагрузки, различных сварных соединений, структурных компонент различных промышленных изделий, новых перспективных материалов, градиентных структур и композитов. Результаты нейтронных экспериментов используются для оптимизации промышленных технологий.
Основные цели и задачи работы
Целью работы являлась разработка нового метода анализа внутренних механических напряжений в материалах с использованием нейтронной корреляционной фурье-дифрактометрии на импульсном источнике нейтронов ИБР-2, разработка и создание необходимого оборудования, проведение экспериментов по исследованию внутренних механических напряжений в конкретных материалах с целью апробирования разработанной методики и определения потенциального круга задач.
Научная новизна. основные результаты, выносимые на защиту
Создание нейтронного фурье-дифрактометра высокого разрешения (Ad/d » 1x10'3) ФДВР на высокопоточном импульсном реакторе ИБР-2 (ЛНФ ОИЯИ) позволило приступить к реализации программы по исследованию внутренних механических напряжений в материалах и изделиях методом дифракции нейтронов. С этой целью на базе ФДВР была создана установка для измерения внутренних механических напряжений. Данная работа проводилась в ЛНФ ОИЯИ впервые, интерес к этой теме вызван отсутствием в России аналогичных установок и острой потребностью в освоении и внедрении нового неразрушающего метода контроля внутренних напряжений в промышленных изделиях и

где сг - сечение рассеяния, которое для поликристалла представляет собой сумму 5-функций, соответствующих брэгговским дифракционным пикам, - функция разрешения
дифрактометра, В - фоновая интенсивность. Для ТОБ-дифрактометра на импульсном источнике БД/) является сверткой функции, описывающей импульс быстрых нейтронов, с функцией отклика замедлителя. Для импульсного реактора ИБР-2, например, ИД?) представляет собой слегка асимметричный гауссиан с шириной на половине высоты -
мкс. Статистическая ошибка счета (дисперсия) в заданном временном канале определяется

величиной /(Г) и равна / .
Для фурье-дифрактометра на реакторе постоянной мощности соотношение для измеряемой интенсивности выглядит следующим образом:
где первый интеграл, описывающий форму дифракционных пиков, в данном случае определяется функцией разрешения фурье-прерывателя Яс, а второй интеграл представляет собой так называемый корреляционный фон, который является в этом случае суммой отсчетов всех зарегистрированных нейтронов. В БТОБ-методе накопление спектра ведется при непрерывном изменении частоты вращения фурье-прерывателя от нулевой до некоторой максимальной частоты ют. При этом временная компонента функции разрешения определяется функцией разрешения фурье-прерывателя Лс(0, зависящей от конкретного распределения частот £(со), и первом приближении может быть представлена в виде
где #(со) - функция распределения частот вращения прерывателя, £2т=Ыв>т - максимальная частота модуляции интенсивности нейтронного пучка фурье-прерывателем, N - число щелей фурье-прерывателя, сот - максимальная скорость вращения фурье-прерывателя.
Ширина функции разрешения фурье-прерывателя в основном определяется значением От и для частотного распределения по Блакману:
где и = ®/0.т,р= 1.03, q = 0.08, полная ширина ЯД/) на половине высоты -От’
Для фурье-дифрактометра на импульсном источнике соотношение для измеряемой интенсивности является комбинацией двух рассмотренных случаев:
Щ ~ | Ис(І-т)(7(т)<ІТ + с | сг(т)с1т + В(1),

g (и) = 1 + р-со$(т) + q■cos(2nu),

1(1) ~ ± | К^-^Кс^-х)с>(т)йт + с | Я/і-т)сг(т)сіт + В(і),