loader image

Институт ядерной физики

Министерство энергетики Республики Казахстан

КМУ1
Срок реализации: 01.2020 – 10.2022
АР08052488 Управление пластичностью реакторных материалов после высокодозного нейтронного облучения

Актуальность

Аустенитные стали – основной конструкционный материал в промышленных легководных ядерных реакторах и перспективных быстрых реакторах с натриевым теплоносителем. Дефекты радиационной природы препятствуют движению дислокаций, вызывая преждевременную локализацию деформации и разрушение. Снижение пластичности после нейтронного облучения является одной из трех основных проблем современных реакторов и причиной принудительного ограничения срока службы изделий. При этом снижается экономическая эффективность ядерных установок.

Для решения проблемы предлагается обеспечить дополнительное локальное упрочнение материала, которое бы компенсировало недостаточное деформационное упрочнение в высокооблученных материалах и препятствовало преждевременной локализации. Локальное упрочнение может быть достигнуто в результате: мартенситного γ→α’-превращения, динамического деформационного старения и двойникования. Усилия группы будут направлены на установление сложных взаимосвязей параметров материала, деформации, облучения; упрочняющих процессов и пластичности высокооблученных сталей.

Полученные результаты позволят лучше понять природу структурно-фазовых превращений при нейтронном облучении и деформации метастабильных аустенитных сталей, оценить их влияние на физико-механические свойства материалов и устойчивость пластического течения и точнее прогнозировать работоспособность конструкционных сталей существующих реакторных установок при продлении срока службы на 20 лет и выше.

Цель

Исследовать физико-механические свойства и изменения структуры, которые определяют пластичность высоокооблученных сталей в диапазоне температур -60÷650⁰С.

Ожидаемые результаты

Будут исследованы аустенитные стали – AISI304, 12Х18Н10Т, AISI316LN и армко-железо. Механические характеристики будут определяться в процессе одноосного растяжения с регистрацией локальных деформаций по методу корреляции цифровых изображений. Структурные особенности будут выявлены с помощью оптической и просвечивающей электронной микроскопии, магнитометрии, микротвердости и гидростатического взвешивания.

Будет выявлена взаимосвязь механических характеристик от дозы облучения, температуры испытаний, химического состава. Будет проанализировано влияние двойникования, деформационно-индуцированного мартенситного превращения, динамического деформационного старения и легирования на прочность и пластичность аустенитных сталей в широком диапазоне температур. В результате будет дана оценка способности каждого механизма обеспечить устойчивую деформацию и высокую пластичность.

Достигнутые результаты

Было проведено нейтронное облучение в реакторе ВВР-К 180 образцов из сталей AISI 304 и 12Х18Н10Т.

ПЭМ и РЭМ исследование показало, что в структуре модифицированных сталей на основе AISI 316LN преобладает чистый аустенит, отмечается небольшое количество χ-фазы и MnS. Облучение нейтронами в реакторе ВВР-К не приводит к значительным структурным изменениям. С помощью просвечивающей микроскопии в стали 12Х18Н10Т, облученной на реакторе БН-350 до дозы 57,6 сна при 304 °C, были обнаружены ОЦК-включения, располагающиеся между аустенитными зернами и обладающие низкой коррозионной стойкостью. Образующаяся ОЦК фаза приводит к увеличению намагниченности стали с 0,05 об% в необлученном состоянии до 3-9 об.% после нейтронного облучения при температуре 300-400 °C. Проведено фрактографическое и ПЭМ исследования структуры облученной стали AISI 304 после механических испытаний. Показано, что дефекты упаковки не различимы из-за развитой дислокационной структуры, плотность дислокаций возросла на несколько порядков по сравнению с недеформированным материалом. Определен тип дислокационной структуры.

Были проведены механические испытания на растяжение с регистрацией намагниченности локальных деформаций, облученных образцов исследуемых сталей. Определены механические характеристики, кинетические параметры мартенситного γ→α’-превращения, выявлена связь с исходной структурой материалов. Было показано, что параметр α с ростом повреждающей дозы увеличивается, что может свидетельствовать о снижении энергии дефекта упаковки в результате нейтронного облучения.

Для исследования процесса динамического деформационного старения были проведены механические испытания в диапазоне температур от комнатной до 650°С с регистрацией локальных деформаций, облученных нейтронами до различных флюенсов образцов армко-железа и стали AISI 304. Определены механические характеристики и установлена их зависимость от дозы облучения и температуры испытания. На примере армко-железа было показано, что нейтронное облучение приводит к подавлению процесса динамического деформационного старения. Аналогичный эффект наблюдали и для стали AISI 304, но степень проявления была ниже.

Исследовали влияние легирования марганцем и азотом на пластичность стабильной к мартенситному превращению стали AISI 316. Были проведены механические испытания с регистрацией локальной намагниченности, построены карты распределения локальных деформаций, определены механические характеристики. Установлено, что легирование азотом и марганцем упрочняет аустенитную матрицу.

ФИО членов исследователь-ской группы (должность, степень)  с  их идентификаторами (Scopus Author ID, Researcher ID, ORCID, если имеются) и ссылками на соответствующие профили

Д.А. Мережко – кандидат-физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории радиационного материаловедения

ORCID ID: 0000-0002-5885-6464;

О.В. Рофман, доктор PhD, старший научный сотрудник лаборатории радиационного материаловедения;

ORCID ID: 0000-0001-5466-9402;

ResearcherID: M-7412-2015

М.С. Мережко, магистр техники и технологий, и.о. зав. лабораторией радиационного материаловедения;

ORCID ID:0000-0002-8727-4404

М.А. Захаров, магистр технических наук старший научный сотрудник лаборатории радиационного материаловедения;

А.М. Такиева, бакалавр, инженер;

А.В. Киреев, инженер, начальник ускорителя УКП 2-1;

А.Г. Васильцов, инженер, магистрант.

Список публикаций (со ссылками на них) и патентов

  1. Rofman O.V., Prosviryakov A.S., Kotov A.D., Bazlov A.L., milovich P.O., Karunakaran G., Mikhaylovskaya A.V. Fabrication of AA2024/SiCp Metal Matrix Composite by Mechanical Alloying // Metals and Materials International. – 2021 (DOI: 10.1007/s12540-020-00924-1, Q1/Q2, IF=3,642)
  2. Максимкин О.П., Мережко Д.А., Мережко М.С., Сарсенбаева К.Б. Формирование пластичных свойств высокооблученной нейтронами стали 12Х18Н10Т //Вопросы атомной науки и техники. — №2(132). – С.66-73. (doi:10.46813/2021-132-066 (Nuclearscience & technology – Q4, IF=0,136)
  3. Мережко М.С., Мережко Д.А. Максимкин О.П. Локализация пластической деформации в цилиндрических образцах меди и аустенитных сталей 12Х18Н10Т и AISI 304, облученных нейтронами // III Международный научный форум «Ядерная наука и технологии» посвященный 30-ти летию независимости Республики Казахстан, с.127.
  4. Мережко Д.А., Мережко М.С., Рофман О.В., Gussev M.N., Garner F.A. «Фазовая нестабильность в облученной высокоэнергетическими частицами стали 12Х18Н10Т // III Международный научный форум «Ядерная наука и технологии» посвященный 30-ти летию независимости Республики Казахстан, с.139.
  5. Мережко М. С., Мережко Д. А., Цай К. В. «Особенности формирования механических свойств в процессе среднетемпературной пластической деформации облученного нейтронами армко-железа» // ФММ. 2022 – Т. 123, № 2, С. 207-213

Институт ядерной физики

Министерство энергетики Республики Казахстан

Контакты

eskort eskişehir - mersin eskort - adana eskort