книги из ГПНТБ / Герасимов В.В. Материалы ядерной техники учеб. пособие

будет контур A'B'C'D'. Однако в отличие от контура ABCD контур A'B'C'D' окажется незамкнутым, так как линия DA ко­ роче D'A' на одно межатомное расстояние. Вектор Ь, прове­ денный из точки Е' в точку А' и замыкающий контур, является сектором Бюргерса. Разомкнутость контура A'B'C'D'E' в со­ вершенном кристалле обусловлена тем, что в кристалле с дис-

в верхней половине кристалла, на один атом больше, чем на стороне DA.

Вокруг дислокации атомы в совершенной области, где про­ ходит контур Бюргерса ABCD, несколько смещены по сравне­ нию с расположением их в совершенном кристалле без дисло­ кации. Сумма всех упругих смещений, накопившихся при обходе по контуру Бюргерса ABCD, проявляется в величине вектора, замыкающего контур в совершенном кристалле. Величина век­ тора Бюргерса не зависит от того, насколько контур Бюргерса удален от дислокации. Чем дальше от дислокации контур, тем меньше упругие смещения атомов в совершенной области, но тем длиннее контур, и сумма всех упругих смещений, накопив­ шихся при его обходе, остается неизменной. На рис. 3.13 пока­ зано построение контура и вектора Бюргерса для винтовой дислокации. Направление вектора Бюргерса зависит от на­ правления обхода контура Бюргерса, которое в принципе про­ извольно. Следовательно, в понятии вектора Бюргерса содер­ жится неопределенность. Сущность этой неопределенности сводится к тому, что пробег краевой дислокации через весь кристалл вызывает сдвиг верхней части кристалла влево отно­ сительно нижней или, что то же самое, сдвиг нижней части

кристалла вправо относительно верхней. Вектор Бюргерса нор­ мален к линии краевой дислокации и параллелен линии винто­ вой дислокации. Для смешанной дислокации угол между ее линией и вектором Бюргерса в разных точках имеет различ­ ную величину. Вектор Бюргерса у точечных дефектов равен нулю. Если построить контур Бюргерса вокруг любого точечно-

-Д

Рис. 3.13. Контур Бюргерса вокруг винтовой дислока­

ную роль в процессах деформации имеют так называемые ча­ стичные дислокации. В качестве примера рассмотрим наиболее изученную частичную дислокацию в г. ц. к. решетке. Различие между плотноупакованными г. ц. к. и гекс. п.у. решетками свя­ зано с порядком укладки плотноупакованных слоев. Если цен­ тры атомов последующих плотноупакованных слоев занимают позиции АВСАВСАВС, образуется г. ц. к. решетка, при чередо­ вании АВАВАВ или АСАСАС формируется гекс. п.у. решетка. Нарушение правильности чередования плотноупакованных

42 Г л . 3. Свойства реакторных материалов

атомных слоев может носить характер двойникования или ха­ рактер дефектов упаковки.

В случае эффекта двойникования в г. ц. к. решетке последо­ вательность чередования плотноупакованных слоев имеет вид

АВСАСВА.

Я

Я

Рис. 3.14. Схема расположения плотных слоев атомных плоскостей (111) в г. ц. к. решетке:

а — двойниковая укладка; б — дефект упаковки.

На рис. 3.14, а показано отвечающее этому случаю распо­ ложение атомов в плотноупакованной плоскости (111).

В случае образования дефекта упаковки последователь­ ность чередования слоев может быть, например, такой: АВСАСАВС. Дефект представляет собой как бы тонкий двух­ атомный слой гексагональной решетки в гранецентрированиой решетке (рис. 3.14, б). Представим скольжение плотноупакованного слоя с атомами, находящимися в положении В, отно­ сительно слоя с атомами, находящимися в положении А. Пере­ ход атома с центром в положении В на место соседнего с ним и лежащего в той же плоскости не нарушил бы расположения атомов в решетке. Сдвинутая часть решетки совместилась бы сама с собой, что имеет место в тождественной трансляции. Однако такое перемещение атомов энергетически невыгодно. Если атомы рассматривать как шары, то атомам с центром в положении В легче переместиться в положение С. Напомним, что положения В и С находятся в пустотах, образованных пер­ вым плотноупакованным слоем с атомами в положении А. Скольжение из В в С дает дислокацию. При этом решетка не транслируется в исходное положение, т. е. позиции, занимае­ мые атомами, не совпадают с позициями до сдвига. Такая

дислокация называется частичной. Она является границей де­ фекта упаковки. Исправление последствий образования тако­ го дефекта упаковки может быть осуществлено сдвигом атомов дефектного слоя снова в позицию В. Это дает вторую частич­ ную дислокацию, ограничивающую дефект упаковки с другой стороны.

Комплекс, состоящий из двух частичных дислокаций, свя­ занных между собой дефектом упаковки, называют диссоции­ рованной, расщепленной (или растянутой) дислокацией. В ре­ зультате такого двойного сдвига ß-»-C и С ^ В изменения ре­ шетки не произойдет. В этом случае вместо скольжения В-^В реализуется зигзагообразное скольжение В-^-С-^В с тем же конечным результатом. Суммарная энергия двух частичных дислокаций меньше энергии одной полной. Частичные дисло­ кации должны отталкиваться одна от другой. Однако в этом случае будет возрастать ширина дефекта упаковки, лежащего между ними и обладающего повышенной энергией по сравне-

.нию с бездефектной решеткой. Энергия дефектов упаковки для аустенитных нержавеющих сталей составляет 13—50 эрг!см.2. Ширима дефекта (расстояние между частичными дислокация­ ми) для того же материала ~ 50 межатомных расстояний. Ле­ гирование, как правило, понижает энергию дефектов упаковки и увеличивает их концентрацию и ширину.

Влияние кристаллической структуры на движение дислока­ ций. Энергия дефектов упаковки и их ширина играют чрезвы­ чайно важную роль в движении и взаимодействии дислокаций с препятствиями. Так как движение краевых дислокаций осу­ ществляется в основном скольжением в плоскости скольжения, эти дислокации с трудом преодолевают препятствия в виде ча­ стиц второй фазы, границ зерен с большим углом разориентировки и т. д. У препятствия образуется скопление дислокаций одного знака, расположенных в одной плоскости скольжения и подпираемых внешним действующим напряжением.

Полная винтовая дислокация может обойти это препятст­ вие поперечным скольжением. После этого дислокация может попасть в другую плоскость скольжения, параллельную исход­ ной. Энергия активации поперечного скольжения резко возра­

винтовой дислокации представлен на рис. 3.15. Для поперечно­ го скольжения расщепленной винтовой дислокации необходи-

мо, чтобы две частичные дислокации, возникшие из винтовой, временно объединились, хотя бы на небольшом участке.

Вблизи дислокации может существовать локальное измене­ ние концентрации атомов легирующего или примесного элемен­ та. Наличие дислокации связано с искажением кристалличе­ ской решетки и наличием упругих напряжений. Локальные на-

Рис. 3.15. Поперечное скольжение расщепленной винтовой дис­ локации. Дислокация в основной (а) и в поперечной (6) пло­ скостях скольжения. Цифрами обозначены последовательные положения дислокации.

пряжения имеют место и вокруг примесного атома. Знак на­ пряжения вокруг атома примеси зависит от соотношения ра­ диусов вещества основы Ro и примеси R\. В твердых растворах замещения при R\>-Ro около атома легирующего элемента (примеси) возникают напряжения радиального сжатия, при R]<.Ro— напряжения растяжения. В твердых растворах внед­ рения всегда возникает радиальное напряжение сжатия. При анизотропии упругого взаимодействия решетки растворителя с примесными атомами возникают также касательные компо­ ненты поля напряжений вокруг этих атомов. При взаимодейст­ вии последних с винтовыми дислокациями роль этих компо­ нентов особенно существенна. Взаимодействие примесных ато­ мов с винтовыми дислокациями, обусловленное нормальными компонентами поля напряжений, слабее, чем с краевыми-, по­ скольку в поле винтовых дислокаций нормальное напряжение отсутствует. Взаимодействие атомов примесей с дислокациями вызвано стремлением системы к уменьшению свободной энер­ гии и направлено в сторону уменьшения упругих напряжений. Атом примеси, создающий напряжение сжатия, будет стре­ миться в растянутую область, атом примеси, создающий на­ пряжение растяжения, — в сжатую.

В результате описанных процессов атомы примеси распре­ деляются в металле неравномерно, как правило, группируясь вблизи дислокаций. Группировки атомов примеси вокруг дис­

локации вследствие наличия упругих напряжений в кристалле называют атмосферами Коттрелла. При равновесном распре­ делении примеси ее концентрация максимальна на линии дис­ локации и убывает с удалением от нее. Устойчивое «облако» атомов примеси сохраняется на расстоянии примерно трех межатомных расстояний от линии дислокации. Далее оно рассасывается за счет теплового движения атомов, энергия ко­ торого на таком расстоянии становится соизмеримой с энергией взаимодействия атома примеси с дислокацией. Чем сильнее тепловое движение, т. е. чем выше температура для данной си­ стемы, тем меньше концентрация атомов примеси в «облаке».

Атмосфера из примесей служит для дислокации как бы яко­ рем и закрепляет ее. Под действием приложенных напряжений цислокация, перемещаясь, должна или «оторваться» от этого якоря, или «тащить его за собой». В первом случае над дисло­ кацией на очень коротком участке (порядка одного вектора Бюргерса) должна быть произведена работа со стороны при­ ложенного напряжения, равная общей энергии связей всех атомов примесной атмосферы. Это требует довольно высоких напряжений. Во втором случае движение дислокаций будет, естественно, очень медленным.

При наличии расщепленных дислокаций может иметь место химическое взаимодействие примесных атомов с дефектами упаковки этих дислокаций (атмосферы Сузуки). Кроме раз­ личия в валентности, существенную роль в образовании атмо­ сфер Сузуки может играть тип решетки. Дефект упаковки, на­ пример, в г. ц. к. решетке представляет собой двухатомный слой с гексагональной упаковкой. Атомы примеси, собственная ре­ шетка которых является гексагональной, будут за счет хими­ ческого взаимодействия предпочтительней располагаться в де­ фектах упаковки, даже если отношение (/?і—Ro)/Ro невелико.

Атмосферы Сузуки отличаются от атмосфер Коттрелла ря­ дом характерных особенностей. Поскольку дефекты упаковки имеют сравнительно большую площадь, для насыщения атмо­ сфер Сузуки требуется значительно большая концентрация примесных атомов, чем для насыщения атмосфер Коттрелла. Эффект торможения дислокаций за счет атмосфер Сузуки очень велик при введении тысячных и сотых долей атомного процента примеси и далее от концентрации не зависит. Еще один отличный от рассмотренных тип блокировки (торможе­ ния) дислокаций связан с тетрагональными искажениями ре­ шетки, имеющими определенную ориентацию. В поле каса­ тельных напряжений, обусловленных наличием дислокаций, эти тетрагональные искажения ориентируются так, чтобы энергия взаимодействия дислокаций с растворенными атомами была минимальной. Это приводит к дополнительной энергии связи, а

препятствуют движению дислокаций, так как при переходе че­ рез границу ни плоскость скольжения, ни вектор Бюргерса не остаются неизменными. Энергия границы зависит от угла, под которым повернуты зерна относительно друг друга. .

Размножение дислокаций. В отожженном металле дислока­ ции располагаются преимущественно по границам зерен и суб­

Пробег одной дислокации через весь кристалл приводит к сдвигу по плоскости скольжения на величину вектора Бюргер­ са. При этом дислокация выходит на поверхность кристалла. Наблюдаемый экспериментально сдвиг на поверхности кри­ сталла на несколько порядков больше величины межатомного расстояния. Имеющихся перед началом деформации дислока­ ций недостаточно, чтобы объяснить такие большие сдвиги по­ следовательным пробегом дислокаций в одной плоскости сколь­ жения. Этот факт приводит к мысли, что в процессе деформи­ рования образуется большое число новых или, как иногда го­ ворят, «свежих» дислокаций. Механизм размножения дислока­ ций в процессе пластической деформации предложен Франком и Ридом.

Источником дислокаций является дислокация, концы кото­ рой закреплены (рис. 3.16). На рис. 3.16, а плоскость чертежа является плоскостью скольжения, содержащей линию дисло­ кации DD'. Приложенные напряжения изгибают линию дисло­ кации в дугу (рис. 3.16, а, б), а линейное натяжение дисло­ кации стремится ее выпрямить. Площадь, охватываемая дугой, является зоной, где сдвиг уже произошел. Под действием уве­ личивающихся приложенных напряжений дислокационная пет­ ля расширяется, охватывая все большую и большую площадь (рис. 3.16, б, в, г). Так как-петля остается закрепленной в точ­ ках DD', она, расширяясь, закручивается вокруг этих точек в

.виде двух симметричных спиралей. При таком закручивании обязательно наступает момент, когда все симметричные спира­ левидные части дислокаций соприкасаются. (Спираль в целом представляет смешанную дислокацию, в то время как исходная дислокация была краевой.) В месте соприкосновения спиралей участки линии дислокаций (касательные к точке соприкосно­ вения) параллельны действующим напряжениям, т. е. это уча­ стки винтовых дислокаций. На участках a, f и f' дислокация имеет краевую ориентацию, а в точках с и с' — винтовую. Вблизи точки С (рис. 3.16, д) в месте соприкосновения спира­ лей винтовые дислокации имеют противоположные знаки и при

соприкосновении они аннигилируют, в результате чего одна дислокация разделяется на две — замкнутую петлю и дислока­ цию DCD', состоящую из двух дуг DC и CD'. Замкнутая дис­ локационная петля не связана с точками закрепления DD'.

Под действием напряжений она может неограниченно рас­ пространяться во все стороны и, если нет другого препятствия,

Рис. 3.16. Механизм размножения дислокации источником Франка — Рида.

выйти на поверхность кристалла. А дислокация DCD', выпрям­ ляясь под действием линейного натяжения, сокращает свою длину и приходит в исходное положение. Если продолжают действовать скалывающие напряжения, дислокация DD' про­ изводит еще одну дислокационную петлю и т. д. Таким спосо­

Упругая энергия искажений кристаллической решетки, связан­ ная с дислокациями, составляет ІО-4—ІО-5 эрг/см или 4—5 эв на атомную плоскость. Благодаря наличию полей упругих на­ пряжений дислокации взаимодействуют между собой, притя­ гиваясь или отталкиваясь. В первом случае может произойти аннигиляция при замыкании положительной и отрицательной дислокаций. При этом экстраплоскости каждой дислокации дают в сумме новую атомную плоскость и нарушение в кри­ сталле ликвидируется. Каждой кристаллической решетке при­

ладает дислокация с вектором Бюргерса 1/2 [111], в г. ц. к. решетке— 1/2 [ПО]. Эти дислокации называются полными и являются наиболее распространенными в указанных ре­ шетках. В результате скольжения полной дислокации не проис­ ходит нарушений в укладке атомов. Решетка сдвинутой части кристалла как бы совмещается сама с собой. Такую трансля­ цию называют тождественной.

♣ 3. 2

Жаропрочность и деформация металлов

В процессе эксплуатации ядерных энергетических установок детали и узлы их подвергаются действию механических напря­ жений. Стремление снизить количество конструкционных мате­ риалов в активной зоне для уменьшения поглощения нейтро­ нов, облегчить вес установок приводит к увеличению напряже­ ний в металле конструкций. Одной из задач конструктора яв­ ляется максимальное уменьшение металлоемкости узлов и из­ делий при сохранении надежности работы установки.

Конструкции атомных установок рассчитывают таким обра­ зом, чтобы при всех эксплуатационных режимах металл рабо­ тал в пределах упругой области. Однако в ряде случаев допу­ скается работа материала в упруго-пластической области. Из­ менение формы, например, твэлов связано с пластической де: формацией. Чрезмерное увеличение напряжений в конструк­ ции, особенно при одновременном воздействии среды, может привести к разрушению материала. Рассмотрим, какие процес­ сы происходят в металле при его деформации и разрушении.

Под действием возникающих в процессе эксплуатации меха­ нических напряжений происходит деформация металла, увели­ чивающаяся с ростом напряжений. Вначале, когда напряжения в металле малы, деформация обратима и практически линейно зависит от нагрузки. При снятии нагрузки деформация исчезает. Такого рода деформацию называют упругой. Изменение разме­ ров при упругой деформации можно связать с обратимым искажением кристаллической решетки. Упругая деформация происходит лишь при нагрузках, не превышающих некоторой определенной величины, называемой пределом текучести (упру­ гости) (сгт) .

При увеличении нагрузки выше от деформация сохраняется при снятии нагрузки. Такая деформация называется пласти- ческой. На диаграмме растяжения величина предела текучести отмечается почти горизонтальным участком кривой, на котором деформация увеличивается без роста нагрузки. Однако в реаль­ ных случаях такой участок не всегда . хорошо выявляется на