Аустенитные стали

Рис.21. Изменение механических свойств аустенитной стали 12Х18Н10Т при 20˚С после низкотемперного облучения нейтронами

Структурные изменения приводят к изменению механических свойств. В результате при температуре ниже температуры рекристаллизации – низкотемпературного облучения – металл упрочняется, но теряет вязкость и пластичность. Влияние суммарного нейтронного потока Ф на временное сопротивление, предел текучести и пластичность аустенитных хромоникелиевых сталей при 20˚С показано на рис 21. Сталь приобретает упрочнение при Ф=3*1019 нейтрон\см2, причем σо.2 растет интенсивнее чем σв, что приводит к снижению способности к деформационному упрочнению. Дальнейшее увеличение потока не влияет на свойства сталей.

Кроме флюенса, на свойства оказывает влияние температура, при которой проходит низкотемпературное облучение ( рис.22). Наиболее резко охрупчивание аустенитных сталей проявляется после облучения в температурном интервале 250-350 ˚С. 

Действие низкотемпературного облучения на свойства напоминают наклеп – холодную пластическую деформацию. Однако, несмотря на такую аналогию, механизмы воздействия радиационного повреждения и наклепа на структуру материала принципиально различны, поскольку радиационное повреждение связано преимущественно с образованием точечных дефектов, тогда как деформационное упрочнение связано в основном с появлением линейных дефектов.

 В условиях облучения выше  температуры рекристаллизации (высокотемпературное  облучение) роль точечных дефектов  снижается. Вакансии и межузельные атомы частично аннигилируют друг с другом, частично взаомодействуют с примесями, дислокациями, границами раздела. Оставшиеся межузельные атомы и вакансии объединяются в кластеры, которые в свою очередь могут превращаться соответственно в дислокационные петли межузельного и вакансионного типа (рис.23).

Высокотемпературное облучение активизирует диффузионные процессы и способствует распаду пересыщенных твердых растворов – старению. Этим объясняется высокотемпературная хрупкость аустенитных хромоникелевых сталей. Активизация диффузионных процессов также объясняется снижение длительной прочности при облучении. Падение жаропрочности растет с увеличением температуры и интенсивности нейтронного потока.

 

/

Рис.23. Эволюция дефектной структуры аустенитной стали при облучении ионами хрома (Е=1 МэВ):

А – кластеры из точечных дефектов при облучении до 0,1 смещ/ат; б – дислокационные пели при 2 смещ/ат; в  - дислокационная сетка при 15 смещ/ат; г –вакансионные поры при 100 сещ/ат

При высокотемпературном облучении большими нейтронными потоками в аустенитных сталях и сплавах на основе Ni, Ti, Mo, Zr, Be зарождаются и растут вакансионные поры, а более подвижные межузельные атомы уходят на дальние стоки, что приводит к заметному увеличению объема металла – радиационному распуханию.

 

 

 

Объем аустенитных сталей, облученных при рабочей температуре 450 ˚С, линейно растут с увеличением нейтронного потока (рис.24). Объем может увеличиваться на 20 % и более. Распухание усиливается в результате скопления в микропорах газов, образовавшихся при облучении.

Легирование хромоникелевых сталей титаном, молибденом, ниобием снижает их распухание. Высокохромистые ферритные и перлитные стали с меньшей растворимостью водорода характеризуются меньшей склонностью к распуханию.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.25. Сопротивляемость радиационному распуханию сталей и сплавов различных марок с ОЦК и ГЦК решетками в зависимости от принципа легирования.

Наиболее опасным следствием облучения является радиационное распухание. На рис. 25 представлены характеристики радиационного распухания ряда марок сталей и сплавов. По данным А.М.Паршина, радиационное распухание можно подавить путем непрерывного распада твердого раствора с определенной дилатацией на границе матрицы с образующей вторичной фазой. Возникающие при распаде сильные поля структурных напряжений способствуют рекомбинации радиационных дефектов и существенно снижают распухание. Развитое дисперсионное твердение является способом подавления радиационного распухания.

Распухание уменьшается при повышении содержания никеля и может быть полностью подавлено при его концентрации около 40% рис.26. Легирование титаном и алюминием способствует переходу сталей и сплавов в группу дисперсионно-твердеющих материалов, почти полностью подавив радиационное распухание.

 

 

Рис.26. Влияние сдержания никеля на радиационное распухание различных марок аустенитных хромоникелиевых сталей и славов при облучении ионами аргона

 

Аустенитные стали не имеют большого преимущества по жаростойкости перед сталями ферритного класса, но выгодно отличаются от них по уровню механических свойств, в том числе жаропрочных, технологичности (способности к глубокой вытяжке, свариваемости, штамповке), они также менее склонны к охрупчиванию после длительных выдержек при высоких температурах.

Недостатком сталей этого класса является их сравнительная высокая стоимость, использование в больших количествах дефицитного никеля, низкая теплопроводность и сопротивление газовой коррозии в средах, содержащих S.

 

 

 

 

 

Литература

 

1. Калин Б. А. «Физическое материаловедение», том 6, часть, МИФИ, 2008

С. 222,224, 255, 370-476.

2. Гольдштейн М.И. «Специальные стали», Металлургия, 1985, с.79-107, 248-252, 281-    289, 349

3. Гуляев А. П. «Металловедение», Металлургия, 1986, с.210-255, 400-402.

4. Солнцев Ю.П. «Материаловедение», Санкт-Петербург химиздат, 2007, с.243-263, 434-448.

5. В.С.Неустроев, В.Н. Голованов, В.К.Шамадрин «Вызванное распуханием охрупчивание облученных нейтронами аустенитных сталей», ФГУП ГНЦ РФ НИАР

6. О.В.Ершова, Е.Н.Щербаков, М.В.Евсеев, В.С.Шихалев, А.В.Козлов «Корреляция физических и механических свойств аустенитной стали ЧС-68 при высокодозном облучении», ФГУП «ИРМ»