Физика металлов и металловедение, 2019, T. 120, № 4, стр. 395-399

ВВЕДЕНИЕ

Развитие атомной энергетики требует обеспечения надежного функционирования атомных энергетических установок и методов обоснованной пролонгации их ресурса, что в значительной степени определяется радиационными физико-механическими свойствами используемымых конструкционных сталей. Создание сталей, выдерживающих высокую дозу нейтронного облучения (до 120 и более сна – смещений на атом), может быть обеспечено только на базе современных научных знаний о радиационно-индуцированных процессах в сталях при облучении. Деградация физико-механических свойств происходит из-за изменений в микроструктуре и элементном составе материалов как вследствие облучения, так и в результате термических воздействий при рабочих температурах реакторов [1, 2]. В быстрых энергетических реакторах типа БН-600 наиболее сильно повреждаются оболочки тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ). Из-за вакансионного распухания целесообразна и планируется замена аустенитных сталей (ЧС-68 и др.) на ферритно-мартенситные 12%-ные хромистые стали с низкой наведенной активностью при нейтронном облучении типа ЭК-181 [3–6]. Механические свойства и радиационная стойкость малоактивируемой (с быстрым спадом активности) ферритно-мартенситной стали ЭК-181 существенным образом зависят от режима ее термической обработки. Разработанные [7–10] режимы обработки (традиционная термическая обработка – ТТО и комбинированная термическая обработка – КТО) применяются для повышения уровня физико-механических свойств стали при планируемых режимах эксплуатации. Снижение порога хладноломкости и повышение ударной вязкости рекомендуется [7–10] обеспечить с помощью термической обработки КТО, включающей термоциклирование около точки начала фазового перехода α → γ.

В данной работе представлены результаты исследований методами ТЭМ и резистометрии влияния облучения нейтронами и электронами на структурно-фазовые превращения в ферритно-мартенситной стали ЭК-181. Выявляется роль точечных дефектов и каскадов смещения при бескаскадном (электронном) и каскадообразующем (нейтронном) облучениях, а также при последующих отжигах.

1. МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ АНАЛИЗА

Исследовали реакторную малоактивируемую 12%-ную хромистую сталь ЭК-181 (Fe–12Cr–2W–V–Ta–B), следующего состава (в мас. %) Fe–12Cr–1.1W–0.7Mn–0.25V–0.08Ta–0.006B–0.2C–0.04N–0.26Si–0.01Mo. Использовали холодно-деформированую прокаткой фольгу толщиной 0.2 мм. Применяли обычную закалку (ЗАК) с нагревом в вакууме 10^–5 Па до 1373 К, выдержка 40 мин, скорость охлаждения при закалке около 100 К/с. Как и в [7–10], использовали термообработки ТТО (закалка от 1373 К + отжиг в вакуумируемой кварцевой трубе при 993 К, 3 ч, охлаждение с печью) и КТО (закалка + трехкратный отжиг при 1083 К (по 30 мин) со снятием печи (скорость охлаждения около 30 К/с) + + отжиг при 993 К, 1 ч, со снятием печи).

Для измерения электросопротивления использовали автоматизированный измерительный комплекс. Ошибка измерения составляла 0.02%. Отжиги проводили в атмосфере очищенного титановым геттером гелия.

Исследования с помощью трансмиссионной электронной микроскопии (ТЭМ) выполняли на электронном микроскопе JEM-200CX при ускоряющем напряжении 160 кВ с получением светлопольных и темнопольных изображений, микродифракции. Облучение исследуемых образцов разными флюенсами быстрых нейтронов проводили в исследовательском атомном реакторе ИВВ-2М (Т_обл ~ 340 К), облучение электронами энергией 5 МэВ осуществляли на линейном ускорителе ЛУЭ-5 в проточном гелиевом термостате (Т_обл = 300–320 К).

2. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Состояние необлученной стали ЭК-181 с различными термообработками в исходном состоянии описано нами подробно [11]. После закалки от 1343–1373 К (ЗАК) микроструктура представляет собой температурно-нестабильный мартенсит, образовавшийся в результате полиморфного превращения γ → α при быстром охлаждении от высоких температур γ-области. Последующий отпуск при 993 К (ТТО) приводит к уменьшению плотности дислокаций и выделению карбидных фаз типа (Cr)₂₃C₆ и VC, обеспечивающих дисперсионное твердение и закрепление границ зерен. Это повышает термическую стабильность стали. Наличие тонкопластинчатой реечной структуры мартенсита увеличивает плотность стоков точечных дефектов, что должно способствовать задержке радиационного распухания. Структура стали с термообработкой КТО состоит преимущественно из феррита, карбидов типа (Cr, Fe)₂₃C₆ и высокоотпущенного мартенсита. При нагреве до 873–973 К такая структура устойчива.

2.1. Нейтронное облучение

Исследовали сталь ЭК-181 с исходной термообработкой ТТО, после облучения при 340 К флюенсами быстрых нейтронов 1 × 10¹⁹ и 5 × 10¹⁹ см^–2. Микроструктура облученной стали изображена на рис. 1, и на качественном уровне она почти не отличается от исходного состояния.

Рис. 1.

Структура (а, б) и дефекты (в, г) в стали ЭК-181 с термообработкой ТТО, облученной нейтронным флюенсом 1 × 10¹⁹ см^–2 (а, в) и 5 × 10¹⁹ см^–2 (б, г).

Видны пакеты высокоотпущенного мартенсита (феррита), которые состоят из тонких реек, имеющих на границах карбидные выделения типа (Сr, Fe)₂₃С₆ (рис. 1а, 1б). Присутствуют более светлые субзерна полигонизованного высокоотпущенного мартенсита (феррита), появившиеся при высокотемпературном отпуске (993 К). Не обнаружены радиационные дефекты типа дислокационных петель и вакансионных пор. При высоком увеличении в структуре субзерен с низкой плотностью дислокаций удалось зарегистрировать наноразмерные образования (рис. 1в, 1г), являющиеся радиационно-индуцированными кластерами вакансий (ВК). Проведенные оценки показали, что концентрация таких дефектов при флюенсе 1 × 10¹⁹ см^–2 не превышает 1 × 10¹⁵ см^–3, при флюенсе 5 × 10¹⁹ см^–2 – не более 5 × 10¹⁶ см^–3. Размер этих дефектов варьировался от 1.5 до 5 нм.

Дозовые зависимости (рис. 2а) изменения остаточного электросопротивления стали ЭК-181 с различными термообработками (КТО, ТТО, ЗАК) при нейтронном облучении были получены на серии образцов (1 образец – 1 флюенс), измеренных до и после набора флюенса. С увеличением флюенса при всех типах термообработок наблюдали рост электросопротивления, обусловленый, как это и ожидается всегда при нейтронном облучении при низких температурах, накоплением вакансионных кластеров (ВК) в каскадах смещений. На рис. 2б представлены изменения остаточного электросопротивления при изохронном отжиге образцов после облучения флюенсом быстрых нейтронов 1 × 10¹⁹ см^–2. Как видно на рис. 2б, при температурах 350–500 К на всех образцах происходит спад электросопротивления, связанный с диссоциацией вакансионных кластеров.

Рис. 2.

Зависимость прироста остаточного электросопротивления стали ЭК-181 с различными термообработками: (а) от флюенса быстрых нейтронов при 340 К; (б) от температуры изохронного отжига после облучения до флюенса 10¹⁹ см^–2.

Выше 500–550 К на образцах КТО и ТТО, электросопротивление снижается ниже исходного значения, а выше 700 К возрастает, приближаясь к исходному значению. Такое поведение совпадает с изменением электросопротивления облученного быстрыми нейтронами сплава Fe–13Cr и соответствует расслоению твердого раствора, обнаруженного в работе [2].

2.2. Электронное облучение

Для выяснения процессов, идущих под действием мигрирующих точечных дефектов, были проведены облучения электронами с энергией 5 МэВ.

На рис. 3 представлены электронно-микроскопические изображения структуры стали с обработками КТО и ТТО после облучения электронами при Т_обл = 300 К, доза 5 × 10¹⁸ см^–2. Подобная структура присутствует и в исходном необлученном состоянии. На микрофотографиях видно, что микроструктура состоит преимущественно из крупных вытянутых реек высокоотпущенного мартенсита (феррита) с повышенной плотностью дислокаций, в которых произошло выделение карбидов. Также в микроструктуре есть более равноосные ферритные участки с высокой плотностью дислокаций и полигонизованные субзерна с малой плотностью дислокаций.

Рис. 3.

Структура стали ЭК-181 после обработки КТО + облучение электронами при 300 К, флюенс 5 × 10¹⁸ см^–2 (а, б), и структура стали после обработки ТТО + облучение электронами при 300 К, флюенс 5 × 10¹⁸ см^–2 (в, г). Темнопольные изображения в рефлексах карбидов (б, г).

На рис. 4а представлены результаты изменения остаточного электросопротивления стали с различными термообработками при облучении электронами при температуре 300 К.

Рис. 4.

Изменение остаточного электросопротивления стали ЭК-181 с различными термообработками в зависимости от флюенса электронного облучения при 320 К (а), от температуры изохронного отжига после облучения электронами до флюенса 5 × 10¹⁸ см^–2 (б). Светлые значки – необлученные образцы.

Для всех типов термообработок при облучении видно снижение электросопротивления ниже исходного уровня. Как уже говорилось выше, это соответствует процессу расслоения твердого раствора, описанного в [2], за счет радиационно-ускоренной диффузии при миграции точечных дефектов. Однако этот процесс при нейтронном облучении скрыт более сильным ростом электросопротивления за счет образования вакансионных комплексов.

На рис. 4б приведены результаты изохронного отжига облученных сталей совместно с аналогичными зависимостями для необлученных образцов. Видно, что изменения электросопротивления в облученных образцах с термообработками КТО и ТТО одинаковы. Вначале, до 400 К, в них наблюдали дальнейший спад электросопротивления, связанный с продолжением расслоения твердого раствора, вследствие диссоциации вакансионных кластеров и миграции вакансий. При этом на необлученных образцах изменений нет. При температурах выше 600 К виден рост на облученных образцах, связанный с устранением расслоения (гомогенизацией), таким образом, что при 700 К электросопротивление облученных и необлученных образцов становится одинаковым, и при дальнейшем отжиге их изменения совпадают.

Это связано с полной термической гомогенизацией твердого раствора. Поведение облученного и необлученного образцов закаленной стали (ЗАК) очень похожи, что говорит об аналогичности процессов в облученной и необлученной стали. Развиваются процессы преобразования мартенсита в феррит и рост выделений карбидов. При этом так же, как и в образцах стали со стандартными термообработками, в начале изохронного отжига реализуются как диссоциация вакансионных кластеров, так и расслоение твердого раствора.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Можно заключить, что несмотря на практическое отсутствие значительных изменений микроструктуры, при электронном и нейтронном облучениях в области температур 300–340 К происходят сходные процессы – накопление ВК и расслоение твердого раствора.Эти процессы идут также и при последующем изохронном отжиге за счет диссоциации ВК. При этом электросопротивление образцов становится меньше исходного. Однако, в отличие от электронного облучения, при нейтронном облучении генерируются ВК в количестве, достаточном для превышения роста электросопротивления над его снижением благодаря расслоению. В области температуры 700 К происходит возврат к исходному состоянию в результате устранения расслоения.

Работа выполнена в рамках государственного задания по теме “Спин” № АААА-А18-118020290104-2 и по теме “Поток” № АААА-А18-118020190112-8 при частичной поддержке Гранта РФФИ № 18-02-00270.