Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2019, № 1, стр. 73-78
Исследование влияния облучения ионами на механические свойства стали Eurofer 97Е. В. Гладких, К. С. Кравчук, А. С. Усеинов,
Е. В. Гладких 1, 2, *, К. С. Кравчук 1, А. С. Усеинов 1,
А. А. Никитин 3, 4, С. В. Рогожкин 3, 4
1 Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов,
142190 Троицк, Москва, Россия
2 Московский физико-технический институт,
141701 Московская область, Долгопрудный, Россия
3 Институт теоретической и экспериментальной физики
им. А.И. Алиханова Национального исследовательского центра “Курчатовский институт”,
117218 Москва, Россия
4 Национальный исследовательский ядерный университет “МИФИ”,
115409 Москва, Россия
* E-mail: ekat.gladkih@yandex.ru
Поступила в редакцию 12.03.2018
После доработки 12.03.2018
Принята к публикации 12.03.2018
Аннотация
Проведено сравнение твердости образцов ферритно-мартенситной стали Eurofer 97 в исходном
состоянии и после облучения ионами Fe2+ с энергией 5.6 МэВ до флуенса 1 × 1016 см–2 при температуре 300°С. Испытания механических свойств проведены методом инструментального
индентирования в режиме динамического механического анализа. Для корректировки получаемых
значений твердости было проведено измерение геометрии пластических отпечатков методом
атомно-силовой микроскопии. Облучение тяжелыми ионами привело к увеличению твердости
по сравнению с исходным материалом, что указывает на радиационно-индуцированное снижение
пластичности стали Eurofer 97, которое необходимо учитывать при ее использовании в
качестве конструкционного материала для термоядерных реакторов нового поколения.
Ключевые слова: ферритно-мартенситные стали, облучение ионами, наноиндентирование, атомно-силовая микроскопия.
ВВЕДЕНИЕ
Проектируемые ядерные и термоядерные реакторные установки предполагают использование
конструкционных материалов, которые будут эксплуатироваться в широком диапазоне температур
(200−700°С) и при радиационных нагрузках, вызывающих значительные повреждения структуры
материала [1]. Анализ степени изменений в зависимости от повреждающей дозы позволяет спрогнозировать
срок службы конструкций реактора. В последнее время значительное внимание уделяется
исследованию причин низкотемпературного радиационного охрупчивания ферритно-мартенситных
сталей. Для моделирования результатов реакторных воздействий на материалы получило
распространение применение ускорителей тяжелых ионов [2]. Данный метод облучения позволяет быстро набрать необходимую повреждающую дозу и
избежать наведенной радиоактивности, что значительно ускоряет процедуру исследования.
В настоящей работе продемонстрированы результаты анализа механических характеристик
материала после облучения тяжелыми ионами, моделирующего воздействие нейтронных потоков.
В качестве объекта исследования выбрана ферритно-мартенситная сталь Eurofer 97 [3, 4], являющаяся одним из кандидатов на роль конструкционных материалов для проектируемого
термоядерного реактора DEMO. Исследования микроскопических причин охрупчивания этой
стали представлены в работах [4, 5].
МЕТОДИКА
Методы локального контактного измерения механических свойств можно разделить на статические
и динамические. Наиболее популярным методом статического вдавливания является метод
инструментального индентирования, заключающийся во внедрении твердого наконечника
(индентора) в поверхность образца с регистрацией глубины внедрения и силы нагружения.
Анализ кривой нагружения–разгружения по методике, разработанной Оливером и Фарром
[5], позволяет вычислить твердость и модуль упругости образца.
Твердость в данном методе определяется как отношение максимальной прикладываемой нагрузки
Pmax к площади контакта A индентора с образцом:
Площадь контакта зависит от формы индентора, определяемой при калибровке, и имеет
вид функции от глубины $A = f\left( {{{h}_{c}}} \right).$ Глубина погружения наконечника в образец рассчитывается по следующей формуле:
где S − жесткость контакта, определяемая по углу наклона касательной к кривой разгружения
в точке Pmax, ε − поправочный коэффициент, зависящий от геометрии наконечника (для индентора Берковича
ε = 3/4).
Модуль упругости определяется из следующего выражения:
(3)
$\frac{1}{{{{E}_{{\text{r}}}}}} = \frac{{1 - \nu _{{\text{s}}}^{2}}}{{{{E}_{{\text{s}}}}}} + \frac{{1 - \nu _{{\text{i}}}^{2}}}{{{{E}_{{\text{i}}}}}},$где Er − приведенный модуль упругости, Es − модуль упругости образца, Ei − модуль упругости индентора, νs − коэффициент Пуассона образца, νi − коэффициент Пуассона индентора.
Приведенный модуль упругости рассчитывается из следующего соотношения:
где β − коэффициент, зависящий от геометрии наконечника (для Берковича β = 1.034).
В методе динамического механического анализа (ДМА) [6] на монотонное внедрение индентора накладываются гармонические колебания с некоторой
амплитудой и частотой. Вязкоупругие свойства индентируемого образца приводят к изменению
амплитуды отклика и разности фаз между сигналом, задающим колебание, и реальным перемещением
области контакта. Анализ амплитуды и фазы вынужденных колебаний позволяет определить
упругие и вязкие свойства исследуемого образца.
При приложении к индентору синусоидального сигнала силы деформация тела ε зависит
от частоты ω прикладываемой силы следующим образом:
Для чисто упругого тела справедлив закон Гука, и напряжение пропорционально деформации:
где E − модуль упругости Юнга. В вязком материале, где нет упругой деформации, напряжение
задается законом Ньютона:
Напряжение, возникающее в ответ на нагрузку, отличается от нее по фазе на δ = 90°.
Однако в природе не существует абсолютно упругих и абсолютно вязких тел. Из выражений
(4), (6), (7) и (8) следует, что мнимая и действительная компоненты модуля упругости
$E* = E{\kern 1pt} {\text{'}} + iE{\kern 1pt} {\text{''}}$ имеют вид:
где S ' и S '' – действительная и мнимая части величины жесткости контакта, которые вычисляются
через отношение амплитуд прикладываемой силы (AF) и амплитуды углубления индентора (Ah):
(10)
$S{\kern 1pt} {\text{'}} = \frac{{{{A}_{{\text{F}}}}}}{{{{A}_{{\text{h}}}}}}\cos \Delta \varphi ,\,\,\,\,S{\kern 1pt} {\text{''}} = \frac{{{{A}_{{\text{F}}}}}}{{{{A}_{{\text{h}}}}}}\sin \Delta \varphi .$
Твердость в динамическом методе определяется по формулам (1) и (2), где жесткость определяется также через отношение амплитуд силы и углубления.
Традиционный метод измерения твердости в микромасштабе основан на анализе оптического
изображения восстановленного отпечатка после индентирования [7]. Измерения площади отпечатка в нанометровом масштабе ограничиваются разрешающей
способностью оптических микроскопов, поэтому для визуализации отпечатков используются
растровые электронные или атомно-силовые зондовые микроскопы (АСМ). Анализ трехмерного
АСМ-изображения позволяет выявить и затем учесть при вычислении твердости особенности
деформации материала при индентировании, такие как образование пластических валов
по краям отпечатка [8].
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Образцы ферритно-мартенситной стали Eurofer 97 (плавка E83 697) были предоставлены
Технологическим Институтом Карлсруэ, Германия. Основным элементом в составе стали
является Fe, содержание прочих химических элементов приведено в табл. 1. Были исследованы два образца: необлученный (далее называемый “исходный”) и контактировавший
с тяжелыми ионами (далее называемый “облученный”).
Таблица 1.
Концентрация химических элементов в стали Eurofer 97 (E 83 697) баланс по Fe
Массивный образец
C
Si
Mn
Cr
N
V
W
Ta
мас. %
0.12
0.04
0.48
8.91
0.02
0.2
1.08
0.14
Использовалась сталь, прошедшая специализированную термообработку: выдержку 30 мин
на воздухе при 980°C с последующей закалкой + отпуск 90 мин на воздухе при 760°C.
Образец для облучения изготавливался методом электроискровой резки в форме диска диаметром
3 мм. Поверхность образцов подвергалась многоступенчатой механической полировке с
использованием абразивных листов SiC с последовательным уменьшением размера зерна.
Для удаления механических деформаций в приповерхностном слое для финишной подготовки
проводилась электрохимическая полировка с использованием раствора 5% HClO4 в этиловом спирте. Облучение образца ионами Fe до флуенса 1 × 1016 см–2 проводилось на линейном ускорителе с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой
(тяжелоионный прототип – ТИПр, НИЦ “Курчатовский институт”). В качестве инжектора
ускорителя используется вакуумно-дуговой источник ионов металлов. Ускоряющая структура
спроектирована таким образом, что позволяет проводить ускорение полученных ионов до
энергий 101 КэВ/нуклон. Итоговая энергия ионов Fe составила 5.6 МэВ. Облучение проводилось
при контролируемом нагреве мишени до 300°C [9].
Исследование физико-механических свойств образцов проводилось на нанотвердомере “НаноСкан-4D”
(ФГБНУ ТИСНУМ, Россия) [10] методом ДМА. Параметры испытания: глубина индентирования 2000 нм, амплитуда колебаний
10 нм, частота 10 Гц, скорость нагружения 200 нм/мин. На каждом образце была проведена
серия из 30 измерений.
На “исходном” образце были проведены серии уколов на глубины от 200 до 1800 нм с последующим
сканированием поверхности отпечатков методом атомно-силовой микроскопии. АСМ-изображения
были получены на зондовой нанолаборатории Интегра-Прима (НТ-МДТ, Россия).
При помощи пакета SRIM, основанного на методе Монте-Карло, были рассчитаны профили
повреждения и внедрения ионов при облучении материала на основе железа ионами Fe с
энергией 5.6 МэВ. Согласно этим расчетам (рис. 1) максимальное количество ионов, имплантируемых в образец, находится на глубине (~1.6
мкм). Доля имплантированных ионов на данной глубине составляет ~0.25 ат. %. Несмотря
на то, что внедренные ионы вызывают искажения кристаллической решетки, их концентрация
недостаточна, чтобы внести значительный вклад в механические свойства материала. Флуенс
ионов, равный 1 × 1016 см–2 в рассматриваемом случае, обеспечивает дозу радиационных повреждений ~10 сна (смещений
на атом) в максимуме радиационных повреждений на глубине ~1.5 мкм [5].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Перед тем, как рассчитывать твердость образцов, получаемую в ходе ДМА, были проанализированы
АСМ-изображения (рис. 2) пластических отпечатков после индентирования. Поскольку в методе инструментального
индентирования не учитывается пластических навалов, то значение контактной площади
оказывается заниженным по сравнению с реальной площадью отпечатка. В связи с этим
твердость, рассчитанная с помощью метода инструментального индентирования, оказывается
завышенной. Вычисленное соотношение между реальной площадью контакта (определяемой
по АМС-изображению) и рассчитываемой в методе наноиндентирования составило 0.8. В
дальнейшем значения инструментальной твердости были помножены на этот коэффициент.
На рис. 3 приведены усредненные данные зависимости твердости образцов (исходного и облученного)
от глубины внедрения индентора. Разброс значений составляет порядка 8% и связан с
неоднородностью разных областей образца, в которых было проведено индентирование.
Рис. 3.
Зависимость твердости исходного (сплошная линия) и облученного (точки) образцов от
величины углубления индентора.
Для того, чтобы выделить из значений твердости объемного материала величину твердости
облученной области была использована модель Nix−Gao [11], основанная на геометрической теории дислокаций. Согласно этой модели, твердость
образца зависит от глубины следующим образом:
где H0 – твердость образца на бесконечной глубине (там, где свойства не зависят от свойств
поверхностных слоев), h* – характеристическая глубина, зависящая от геометрии индентора и свойств материала,
h – глубина.
Приведенная на рис. 4 диаграмма зависимости H 2 от h–1 для необлученного образца близка к линейной. На кривой, демонстрирующей твердость
облученного образца, имеется точка перегиба на глубине около 700 нм. Данные по разные
стороны от точки перегиба можно аппроксимировать линейными зависимостями, дающими
информацию о твердости облученного $H_{0}^{{{\text{irr}}}}$ (упрочненного) и необлученного $H_{0}^{{{\text{unirr}}}}$ (более мягкого) слоя образца. Точка перегиба (hp) соответствует критической величине углубления индентора, на которой значение твердости
определяется как приповерхностным упрочненным слоем материала, так и подложкой.
Рис. 4.
Диаграмма Nix−Gao, построенная для образцов стали Eurofer 97 в исходном состоянии
(незакрашенные точки) и после облучения ионами Fe2+ с энергией 5.6 МэВ до флуенса 1 × 1016 см–2 при 300°С (закрашенные точки). Прерывистыми линиями показаны линейные аппроксимации
данных.
В табл. 2 представлены значения твердости ${{H}_{0}},$ характеристической глубины $h{\kern 1pt} *,$ экстраполированные по данным для облученного и необлученного слоев образца согласно
модели (11). Величина $\Delta Н
,$ показывающая разницу между значениями твердости упрочненного и не подвергшегося изменению
слоев образца, составляет 0.27 ГПа для рассматриваемого случая.
Таблица 2.
Параметры, рассчитанные по модели Nix−Gao
Образец
$H_{0}^{{{\text{un irr}}}},$ ГПа
$H_{0}^{{{\text{irr}}}},$ ГПа
h*(irr), нм
h*(un irr), нм
hp, нм
ΔH, ГПа
Исходный
2.38
−
−
60
−
−
Облученный
2.47
2.74
49
242
776
0.27
Анализ в пакете SRIM показал, что глубина образца с максимальной концентрацией ионов,
внедрившихся в результате облучения, составляет около 1.5 свеч мкм. Методом просвечивающей
электронной микроскопии также обнаружены значительные плотности радиационно-индуцированных
дислокационных петель на глубине 0.7−1.7 мкм [5]. Соответственно, на этой глубине должно наблюдаться повышенное значение твердости.
Согласно графику, построенному по модели Nix-Gao, твердость упрочненного слоя переходит
в твердость неупрочненной подложки при погружении индентора в образец на глубину ~700
нм. Эта величина не противоречит данным расчетов по SRIM и данным микроскопических
исследований, поскольку наноиндентор “сканирует” глубины, заметно превышающие глубину
его погружения. Согласно работе [12], критическое углубление, при превышении которого в величину твердости покрытия весомый
вклад вносит подложка, зависит от многих факторов: отношения твердостей покрытия и
подложки, геометрии индентора, образования навалов, адгезии, коэффициента трения между
индентором и покрытием. В работах [13, 14] показано, что для многослойных материалов с близкими свойствами покрытия и подложки
при глубине индентирования, составляющей 1/5−1/3 от критического углубления, может
быть измерена истинная твердость покрытия.
Таким образом, модель Nix-Gao, примененная для анализа свойств образца, облученного
ионами Fe с энергией 5.6 МэВ до флуенса 1 × 1016 см–2 при температуре 300°С, показала, что на глубине 700 нм происходит увеличение твердости
образца. Это соответствует тому, что неповрежденные слои стали Eurofer 97 начинаются
с глубин более 2 мкм.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Радиационно-стимулированные изменения механических свойств твердых тел позволяют исследовать
возможности применения материалов в качестве конструкционных для ядерной энергетики.
Как было показано в настоящей работе, облучение тяжелыми ионами вызывает упрочнение
исходной ферритно-мартенситной стали Eurofer 97. Данные о площади отпечатков (полученные
при помощи АСМ-сканирования) позволили скорректировать величину твердости. Этот пересчет
был необходим, чтобы учесть влияние образующихся навалов.
Изменение твердости приповерхностных слоев образца, облученного ионами, вычислялось
с использованием приближения Nix-Gao. Упрочнение стали Eurofer 97 наблюдалась при
величине углубления индентора до 700 нм, что указывает на глубину упрочненного слоя
до 2 мкм. Микроскопический анализ влияния аналогичных условий облучения [5] продемонстрировал зарождение значительного числа (~1022 м–3) дислокационных петель размерами от 4 до 20 нм в области радиационных повреждений
на глубине 0.8−1.7 мкм.
Таким образом, полученные результаты наноиндентирования подтверждают возникновение
радиационно-индуцированного упрочнения и, как следствие, потерю пластичности ферритно-мартенситной
стали Eurofer 97 при облучении в области температур ~300°C и дозах, не превышающих
10 сна.
БЛАГОДАРНОСТИ
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 17-19-01696).
Облучение образцов стали Eurofer 97 выполнялось на оборудовании Центра коллективного
пользования КАМИКС (http://kamiks.itep.ru/) НИЦ “Курчатовский институт”–ИТЭФ, анализ механических свойств – на оборудовании
Центра коллективного пользования ФГБНУ ТИСНУМ “Исследования наноструктурных, углеродных
и сверхтвердых материалов” (http://www.tisncm.ru/suec/).
Список литературы
Schlosser J. // Nucl. Fusion. 2005. V. 45. № 6. P. 512.
Channel M. Experimental investigations of impact-induced molecular desorption by 4.2 MeV/u Pb
ions // Materials of Particle Accelerator Conf. Chicago: USA, 2001.
Gaganidze E., Schneider H.-C., Dafferner B., Aktaa J. // J. Nucl. Mater. 2006. V. 355. P. 83.
Рогожкин С.В., Никитин А.А., Кулевой Т.В. // Ядерная физика и инжиниринг. 2014. Т. 5. № 7–8. С. 663.
Oliver W.C., Pharr G.M. An I // J. Mater. Res. 1992. V. 7. № 6. P. 1564.
Fischer-Cripps, Anthony C. Nanoindentation. New York: Springer, 2011. 287 p.
ГОСТ 9450-76 Измерение микротвердости вдавливанием алмазных наконечников. (СТ СЭВ
1195-78) Группа Т59. Москва: Издательство стандартов, 1996.
Григорович В.К. Твердость и микротвердость металлов. Москва: Наука, 1976. 230 с.
Кропачев Г.Н., Шишмарев В.Б., Куйбида Р.П., Чалых Б.Б., Плотников С.В., Рогожкин С.В.,
Алеев А.А., Никитин А.А., Орлов Н.Н., Селезнев Д.Н. и др. // Ядерная физика и инжиниринг. 2011. Т. 2. № 6. С. 538.
Усеинов А.С., Кравчук К.С., Маслеников И.И. // Наноиндустрия. 2014. № 1. С. 34.
Nix W.D., Gao H. // J. Mech. Phys. Solids. 1998. V. 46. № 3. P. 411.
Manika I., Maniks J. // J. Phys. D. Appl. Phys. 2008. V. 41. № 7. P. 074010.
Xu C., Zhang L., Qian W., Mei J., Liu X. // Nucl. Eng. Technol. Elsevier B. V. 2016. V. 48. № 3. P. 758.
Zhang F., Huang Y., Hwang K.C. // Acta Mech. Sin. Xuebao. 2006. V. 22. № 1. P. 1.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования
Е. В. Гладких 1, 2, *, К. С. Кравчук 1, А. С. Усеинов 1, А. А. Никитин 3, 4, С. В. Рогожкин 3, 4
1 Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов,
142190 Троицк, Москва, Россия
2 Московский физико-технический институт,
141701 Московская область, Долгопрудный, Россия
3 Институт теоретической и экспериментальной физики
им. А.И. Алиханова Национального исследовательского центра “Курчатовский институт”,
117218 Москва, Россия
4 Национальный исследовательский ядерный университет “МИФИ”,
115409 Москва, Россия
* E-mail: ekat.gladkih@yandex.ru
Поступила в редакцию 12.03.2018
После доработки 12.03.2018
Принята к публикации 12.03.2018
Аннотация
Проведено сравнение твердости образцов ферритно-мартенситной стали Eurofer 97 в исходном состоянии и после облучения ионами Fe2+ с энергией 5.6 МэВ до флуенса 1 × 1016 см–2 при температуре 300°С. Испытания механических свойств проведены методом инструментального индентирования в режиме динамического механического анализа. Для корректировки получаемых значений твердости было проведено измерение геометрии пластических отпечатков методом атомно-силовой микроскопии. Облучение тяжелыми ионами привело к увеличению твердости по сравнению с исходным материалом, что указывает на радиационно-индуцированное снижение пластичности стали Eurofer 97, которое необходимо учитывать при ее использовании в качестве конструкционного материала для термоядерных реакторов нового поколения.
ВВЕДЕНИЕ
Проектируемые ядерные и термоядерные реакторные установки предполагают использование конструкционных материалов, которые будут эксплуатироваться в широком диапазоне температур (200−700°С) и при радиационных нагрузках, вызывающих значительные повреждения структуры материала [1]. Анализ степени изменений в зависимости от повреждающей дозы позволяет спрогнозировать срок службы конструкций реактора. В последнее время значительное внимание уделяется исследованию причин низкотемпературного радиационного охрупчивания ферритно-мартенситных сталей. Для моделирования результатов реакторных воздействий на материалы получило распространение применение ускорителей тяжелых ионов [2]. Данный метод облучения позволяет быстро набрать необходимую повреждающую дозу и избежать наведенной радиоактивности, что значительно ускоряет процедуру исследования.
В настоящей работе продемонстрированы результаты анализа механических характеристик материала после облучения тяжелыми ионами, моделирующего воздействие нейтронных потоков. В качестве объекта исследования выбрана ферритно-мартенситная сталь Eurofer 97 [3, 4], являющаяся одним из кандидатов на роль конструкционных материалов для проектируемого термоядерного реактора DEMO. Исследования микроскопических причин охрупчивания этой стали представлены в работах [4, 5].
МЕТОДИКА
Методы локального контактного измерения механических свойств можно разделить на статические и динамические. Наиболее популярным методом статического вдавливания является метод инструментального индентирования, заключающийся во внедрении твердого наконечника (индентора) в поверхность образца с регистрацией глубины внедрения и силы нагружения. Анализ кривой нагружения–разгружения по методике, разработанной Оливером и Фарром [5], позволяет вычислить твердость и модуль упругости образца.
Твердость в данном методе определяется как отношение максимальной прикладываемой нагрузки Pmax к площади контакта A индентора с образцом:
Площадь контакта зависит от формы индентора, определяемой при калибровке, и имеет вид функции от глубины $A = f\left( {{{h}_{c}}} \right).$ Глубина погружения наконечника в образец рассчитывается по следующей формуле:
где S − жесткость контакта, определяемая по углу наклона касательной к кривой разгружения в точке Pmax, ε − поправочный коэффициент, зависящий от геометрии наконечника (для индентора Берковича ε = 3/4).Модуль упругости определяется из следующего выражения:
(3)
$\frac{1}{{{{E}_{{\text{r}}}}}} = \frac{{1 - \nu _{{\text{s}}}^{2}}}{{{{E}_{{\text{s}}}}}} + \frac{{1 - \nu _{{\text{i}}}^{2}}}{{{{E}_{{\text{i}}}}}},$Приведенный модуль упругости рассчитывается из следующего соотношения:
где β − коэффициент, зависящий от геометрии наконечника (для Берковича β = 1.034).В методе динамического механического анализа (ДМА) [6] на монотонное внедрение индентора накладываются гармонические колебания с некоторой амплитудой и частотой. Вязкоупругие свойства индентируемого образца приводят к изменению амплитуды отклика и разности фаз между сигналом, задающим колебание, и реальным перемещением области контакта. Анализ амплитуды и фазы вынужденных колебаний позволяет определить упругие и вязкие свойства исследуемого образца.
При приложении к индентору синусоидального сигнала силы деформация тела ε зависит от частоты ω прикладываемой силы следующим образом:
Для чисто упругого тела справедлив закон Гука, и напряжение пропорционально деформации:
где E − модуль упругости Юнга. В вязком материале, где нет упругой деформации, напряжение задается законом Ньютона:Напряжение, возникающее в ответ на нагрузку, отличается от нее по фазе на δ = 90°.
Однако в природе не существует абсолютно упругих и абсолютно вязких тел. Из выражений (4), (6), (7) и (8) следует, что мнимая и действительная компоненты модуля упругости $E* = E{\kern 1pt} {\text{'}} + iE{\kern 1pt} {\text{''}}$ имеют вид:
где S ' и S '' – действительная и мнимая части величины жесткости контакта, которые вычисляются через отношение амплитуд прикладываемой силы (AF) и амплитуды углубления индентора (Ah):(10)
$S{\kern 1pt} {\text{'}} = \frac{{{{A}_{{\text{F}}}}}}{{{{A}_{{\text{h}}}}}}\cos \Delta \varphi ,\,\,\,\,S{\kern 1pt} {\text{''}} = \frac{{{{A}_{{\text{F}}}}}}{{{{A}_{{\text{h}}}}}}\sin \Delta \varphi .$Твердость в динамическом методе определяется по формулам (1) и (2), где жесткость определяется также через отношение амплитуд силы и углубления.
Традиционный метод измерения твердости в микромасштабе основан на анализе оптического изображения восстановленного отпечатка после индентирования [7]. Измерения площади отпечатка в нанометровом масштабе ограничиваются разрешающей способностью оптических микроскопов, поэтому для визуализации отпечатков используются растровые электронные или атомно-силовые зондовые микроскопы (АСМ). Анализ трехмерного АСМ-изображения позволяет выявить и затем учесть при вычислении твердости особенности деформации материала при индентировании, такие как образование пластических валов по краям отпечатка [8].
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Образцы ферритно-мартенситной стали Eurofer 97 (плавка E83 697) были предоставлены Технологическим Институтом Карлсруэ, Германия. Основным элементом в составе стали является Fe, содержание прочих химических элементов приведено в табл. 1. Были исследованы два образца: необлученный (далее называемый “исходный”) и контактировавший с тяжелыми ионами (далее называемый “облученный”).
Таблица 1.
Концентрация химических элементов в стали Eurofer 97 (E 83 697) баланс по Fe
Массивный образец | C | Si | Mn | Cr | N | V | W | Ta |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
мас. % | 0.12 | 0.04 | 0.48 | 8.91 | 0.02 | 0.2 | 1.08 | 0.14 |
Использовалась сталь, прошедшая специализированную термообработку: выдержку 30 мин на воздухе при 980°C с последующей закалкой + отпуск 90 мин на воздухе при 760°C. Образец для облучения изготавливался методом электроискровой резки в форме диска диаметром 3 мм. Поверхность образцов подвергалась многоступенчатой механической полировке с использованием абразивных листов SiC с последовательным уменьшением размера зерна. Для удаления механических деформаций в приповерхностном слое для финишной подготовки проводилась электрохимическая полировка с использованием раствора 5% HClO4 в этиловом спирте. Облучение образца ионами Fe до флуенса 1 × 1016 см–2 проводилось на линейном ускорителе с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой (тяжелоионный прототип – ТИПр, НИЦ “Курчатовский институт”). В качестве инжектора ускорителя используется вакуумно-дуговой источник ионов металлов. Ускоряющая структура спроектирована таким образом, что позволяет проводить ускорение полученных ионов до энергий 101 КэВ/нуклон. Итоговая энергия ионов Fe составила 5.6 МэВ. Облучение проводилось при контролируемом нагреве мишени до 300°C [9].
Исследование физико-механических свойств образцов проводилось на нанотвердомере “НаноСкан-4D” (ФГБНУ ТИСНУМ, Россия) [10] методом ДМА. Параметры испытания: глубина индентирования 2000 нм, амплитуда колебаний 10 нм, частота 10 Гц, скорость нагружения 200 нм/мин. На каждом образце была проведена серия из 30 измерений.
На “исходном” образце были проведены серии уколов на глубины от 200 до 1800 нм с последующим сканированием поверхности отпечатков методом атомно-силовой микроскопии. АСМ-изображения были получены на зондовой нанолаборатории Интегра-Прима (НТ-МДТ, Россия).
При помощи пакета SRIM, основанного на методе Монте-Карло, были рассчитаны профили повреждения и внедрения ионов при облучении материала на основе железа ионами Fe с энергией 5.6 МэВ. Согласно этим расчетам (рис. 1) максимальное количество ионов, имплантируемых в образец, находится на глубине (~1.6 мкм). Доля имплантированных ионов на данной глубине составляет ~0.25 ат. %. Несмотря на то, что внедренные ионы вызывают искажения кристаллической решетки, их концентрация недостаточна, чтобы внести значительный вклад в механические свойства материала. Флуенс ионов, равный 1 × 1016 см–2 в рассматриваемом случае, обеспечивает дозу радиационных повреждений ~10 сна (смещений на атом) в максимуме радиационных повреждений на глубине ~1.5 мкм [5].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Перед тем, как рассчитывать твердость образцов, получаемую в ходе ДМА, были проанализированы АСМ-изображения (рис. 2) пластических отпечатков после индентирования. Поскольку в методе инструментального индентирования не учитывается пластических навалов, то значение контактной площади оказывается заниженным по сравнению с реальной площадью отпечатка. В связи с этим твердость, рассчитанная с помощью метода инструментального индентирования, оказывается завышенной. Вычисленное соотношение между реальной площадью контакта (определяемой по АМС-изображению) и рассчитываемой в методе наноиндентирования составило 0.8. В дальнейшем значения инструментальной твердости были помножены на этот коэффициент.
На рис. 3 приведены усредненные данные зависимости твердости образцов (исходного и облученного) от глубины внедрения индентора. Разброс значений составляет порядка 8% и связан с неоднородностью разных областей образца, в которых было проведено индентирование.
Рис. 3.
Зависимость твердости исходного (сплошная линия) и облученного (точки) образцов от величины углубления индентора.
![](/issues/poverh/2019/vol_2019/iss_1/Poverh1901007Gladkikh/Poverh1901007Gladkikh-F3.gif)
Для того, чтобы выделить из значений твердости объемного материала величину твердости облученной области была использована модель Nix−Gao [11], основанная на геометрической теории дислокаций. Согласно этой модели, твердость образца зависит от глубины следующим образом:
где H0 – твердость образца на бесконечной глубине (там, где свойства не зависят от свойств поверхностных слоев), h* – характеристическая глубина, зависящая от геометрии индентора и свойств материала, h – глубина.Приведенная на рис. 4 диаграмма зависимости H 2 от h–1 для необлученного образца близка к линейной. На кривой, демонстрирующей твердость облученного образца, имеется точка перегиба на глубине около 700 нм. Данные по разные стороны от точки перегиба можно аппроксимировать линейными зависимостями, дающими информацию о твердости облученного $H_{0}^{{{\text{irr}}}}$ (упрочненного) и необлученного $H_{0}^{{{\text{unirr}}}}$ (более мягкого) слоя образца. Точка перегиба (hp) соответствует критической величине углубления индентора, на которой значение твердости определяется как приповерхностным упрочненным слоем материала, так и подложкой.
Рис. 4.
Диаграмма Nix−Gao, построенная для образцов стали Eurofer 97 в исходном состоянии (незакрашенные точки) и после облучения ионами Fe2+ с энергией 5.6 МэВ до флуенса 1 × 1016 см–2 при 300°С (закрашенные точки). Прерывистыми линиями показаны линейные аппроксимации данных.
![](/issues/poverh/2019/vol_2019/iss_1/Poverh1901007Gladkikh/Poverh1901007Gladkikh-F4.gif)
В табл. 2 представлены значения твердости ${{H}_{0}},$ характеристической глубины $h{\kern 1pt} *,$ экстраполированные по данным для облученного и необлученного слоев образца согласно модели (11). Величина $\Delta Н ,$ показывающая разницу между значениями твердости упрочненного и не подвергшегося изменению слоев образца, составляет 0.27 ГПа для рассматриваемого случая.
Таблица 2.
Параметры, рассчитанные по модели Nix−Gao
Образец | $H_{0}^{{{\text{un irr}}}},$ ГПа | $H_{0}^{{{\text{irr}}}},$ ГПа | h*(irr), нм | h*(un irr), нм | hp, нм | ΔH, ГПа |
---|---|---|---|---|---|---|
Исходный | 2.38 | − | − | 60 | − | − |
Облученный | 2.47 | 2.74 | 49 | 242 | 776 | 0.27 |
Анализ в пакете SRIM показал, что глубина образца с максимальной концентрацией ионов, внедрившихся в результате облучения, составляет около 1.5 свеч мкм. Методом просвечивающей электронной микроскопии также обнаружены значительные плотности радиационно-индуцированных дислокационных петель на глубине 0.7−1.7 мкм [5]. Соответственно, на этой глубине должно наблюдаться повышенное значение твердости. Согласно графику, построенному по модели Nix-Gao, твердость упрочненного слоя переходит в твердость неупрочненной подложки при погружении индентора в образец на глубину ~700 нм. Эта величина не противоречит данным расчетов по SRIM и данным микроскопических исследований, поскольку наноиндентор “сканирует” глубины, заметно превышающие глубину его погружения. Согласно работе [12], критическое углубление, при превышении которого в величину твердости покрытия весомый вклад вносит подложка, зависит от многих факторов: отношения твердостей покрытия и подложки, геометрии индентора, образования навалов, адгезии, коэффициента трения между индентором и покрытием. В работах [13, 14] показано, что для многослойных материалов с близкими свойствами покрытия и подложки при глубине индентирования, составляющей 1/5−1/3 от критического углубления, может быть измерена истинная твердость покрытия.
Таким образом, модель Nix-Gao, примененная для анализа свойств образца, облученного ионами Fe с энергией 5.6 МэВ до флуенса 1 × 1016 см–2 при температуре 300°С, показала, что на глубине 700 нм происходит увеличение твердости образца. Это соответствует тому, что неповрежденные слои стали Eurofer 97 начинаются с глубин более 2 мкм.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Радиационно-стимулированные изменения механических свойств твердых тел позволяют исследовать возможности применения материалов в качестве конструкционных для ядерной энергетики. Как было показано в настоящей работе, облучение тяжелыми ионами вызывает упрочнение исходной ферритно-мартенситной стали Eurofer 97. Данные о площади отпечатков (полученные при помощи АСМ-сканирования) позволили скорректировать величину твердости. Этот пересчет был необходим, чтобы учесть влияние образующихся навалов.
Изменение твердости приповерхностных слоев образца, облученного ионами, вычислялось с использованием приближения Nix-Gao. Упрочнение стали Eurofer 97 наблюдалась при величине углубления индентора до 700 нм, что указывает на глубину упрочненного слоя до 2 мкм. Микроскопический анализ влияния аналогичных условий облучения [5] продемонстрировал зарождение значительного числа (~1022 м–3) дислокационных петель размерами от 4 до 20 нм в области радиационных повреждений на глубине 0.8−1.7 мкм.
Таким образом, полученные результаты наноиндентирования подтверждают возникновение радиационно-индуцированного упрочнения и, как следствие, потерю пластичности ферритно-мартенситной стали Eurofer 97 при облучении в области температур ~300°C и дозах, не превышающих 10 сна.
БЛАГОДАРНОСТИ
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 17-19-01696). Облучение образцов стали Eurofer 97 выполнялось на оборудовании Центра коллективного пользования КАМИКС (http://kamiks.itep.ru/) НИЦ “Курчатовский институт”–ИТЭФ, анализ механических свойств – на оборудовании Центра коллективного пользования ФГБНУ ТИСНУМ “Исследования наноструктурных, углеродных и сверхтвердых материалов” (http://www.tisncm.ru/suec/).
Список литературы
Schlosser J. // Nucl. Fusion. 2005. V. 45. № 6. P. 512.
Channel M. Experimental investigations of impact-induced molecular desorption by 4.2 MeV/u Pb ions // Materials of Particle Accelerator Conf. Chicago: USA, 2001.
Gaganidze E., Schneider H.-C., Dafferner B., Aktaa J. // J. Nucl. Mater. 2006. V. 355. P. 83.
Рогожкин С.В., Никитин А.А., Кулевой Т.В. // Ядерная физика и инжиниринг. 2014. Т. 5. № 7–8. С. 663.
Oliver W.C., Pharr G.M. An I // J. Mater. Res. 1992. V. 7. № 6. P. 1564.
Fischer-Cripps, Anthony C. Nanoindentation. New York: Springer, 2011. 287 p.
ГОСТ 9450-76 Измерение микротвердости вдавливанием алмазных наконечников. (СТ СЭВ 1195-78) Группа Т59. Москва: Издательство стандартов, 1996.
Григорович В.К. Твердость и микротвердость металлов. Москва: Наука, 1976. 230 с.
Кропачев Г.Н., Шишмарев В.Б., Куйбида Р.П., Чалых Б.Б., Плотников С.В., Рогожкин С.В., Алеев А.А., Никитин А.А., Орлов Н.Н., Селезнев Д.Н. и др. // Ядерная физика и инжиниринг. 2011. Т. 2. № 6. С. 538.
Усеинов А.С., Кравчук К.С., Маслеников И.И. // Наноиндустрия. 2014. № 1. С. 34.
Nix W.D., Gao H. // J. Mech. Phys. Solids. 1998. V. 46. № 3. P. 411.
Manika I., Maniks J. // J. Phys. D. Appl. Phys. 2008. V. 41. № 7. P. 074010.
Xu C., Zhang L., Qian W., Mei J., Liu X. // Nucl. Eng. Technol. Elsevier B. V. 2016. V. 48. № 3. P. 758.
Zhang F., Huang Y., Hwang K.C. // Acta Mech. Sin. Xuebao. 2006. V. 22. № 1. P. 1.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования