меди, облученных нейтронами при температуре 4,2 К, лишь на 10 % отличается от значения напряжения сдвига образцов, облученных при T = 300 К, а облучение нейтронами при температуре 0,35Тпл вызывает на 50–60 % меньшее упрочнение по сравнению с облучением при температуре ниже 0,25Тпл.

Представленная на рис. 13.38 зависимость хорошо согласуется с механизмом барьерного упрочнения. Согласно электронномикроскопическим исследованиям концентрация и размер барье- ров-кластеров также существенно зависит от температуры облучения. С повышением температуры число кластеров уменьшается, а их размер увеличивается и, поэтому заметно уменьшается степень радиационного упрочнения металла. При температурах выше 0,6Тпл диффузионная подвижность межузельных атомов и вакансий слишком высока и кластеры практически не образуются.

Иная картина наблюдается при изучении влияния температуры облучения на радиационное упрочнение ОЦК металлов. Установлено, что при облучении образцов железа нейтронами при температуре ниже 90 К предел текучести не возрастает, а наоборот, уменьшается. Так, облучение образцов монокристаллов железа при температуре 5 К флюенсом 3·1017 нейтр./см2 привело к снижению их критического напряжения сдвига на 50 %. Это явление связывают с тем, что в ОЦК материалах высокая концентрация межузельных атомов, создаваемых при облучении, способствует увеличению подвижности винтовых дислокаций. При более высоких температурах облучения ОЦК металлы ведут себя так же, как и металлы с ГЦК решеткой.

13.5.2. Низкотемпературное радиационное охрупчивание

Упрочнение металлов и сплавов, облученных при относительно низких температурах (T < (0,3–0,4)Tпл), сопровождается значительным охрупчиванием (низкотемпературное радиационное охрупчивание), т.е. уменьшением характеристик пластичности, ударной вязкости и повышением температуры перехода материала из пластичного в хрупкое состояние – Tх (см. п. 11.5.1), причем металлы с ОЦК решеткой и стали с ферритной структурой оказались более

377

чувствительными к облучению, чем ГЦК металлы и коррозионностойкие аустенитные стали. Как видно на рис. 13.39, в результате

облучения ниобия флюенсом 4 1021 нейтр./см2 предел текучести возрастает от 130 до 290 МПа, а относительное равномерное

флюенса нейтронов, а для некоторых других марок стали – корню кубическому (см. формулы (13.50) и (13.51)).

Влияние температуры облучения на степень охрупчивания сталей, как и на степень их упрочнения, начинается примерно с 230 С и чем выше температура мишени, тем меньше относительное изменение характеристик пластичности и ударной вязкости. При температурах выше 500 С облучение даже высокими флюенсами практически не приводит к изменению прочностных характеристик.

13.5.3.Особенности влияния облучения на механические свойства

Влияние облучения на стали. Наиболее важным требованием к конструкционным материалам в процессе длительного облучения является стабильность их физических и механических свойств. Поэтому пригодность той или иной стали для изготовления узлов и деталей активной зоны атомного реактора может быть обоснована только после определения ее свойств в нейтронном поле.

378

Рис. 13.40. Зависимость работы разрушения стали, содержащей 0,17 % С, от температуры облучения и флюенса нейтронов

Повышение Тх при флюенсах выше 1018 нейтр./см2 находится в прямой зависимости от длительности облучения. Экспериментальные данные показывают, что после облучения низкоуглеродистых сталей флюенсом 1020 нейтр./см2 критическая температура хрупковязкого перехода возрастает на 120–165 С, а величина работы разрушения уменьшается на 30–50 %. У некоторых более чувствительных к облучению сталей прирост температуры Тх может достигать значений 220–250 С.

Используя экспериментальные данные по изменению предела текучести низкоуглеродистой стали при облучении, было получено полуэмпирическое соотношение между величиной сдвига критической температуры хрупко-вязкого перехода (ΔТх) и флюенсом тепловых нейтронов:

1018 нейтр./см2. Данное уравнение удовлетворительно согласуется с экспериментальными результатами, полученными при испытаниях образцов, облученных в относительно мягком спектре нейтронов (отношение тепловых нейтронов к быстрым – 10:1).

Другие результаты показывают, что сдвиг Тх возрастает пропорционально кубическому корню из флюенса быстрых нейтронов. Эти изменения в общем виде при флюенсах, изменяющихся в интервале от 1018 до 1020 нейтр./см2 описываются уравнением

380

где В – коэффициент, зависящий от условий облучения и состава материала, φt – флюенс в единицах 1018 нейтр./см2, а φt0 – величина, примерно равная отношению 1016/1018.

Экспериментальные данные показывают, что заметное изменение механических свойств при растяжении ферритных сталей,

этих сталей практически не изменяются, т.е. наблюдается инкубационный период. Так, у железа после облучения флюенсом 1017 нейтр./см2 наблюдается лишь незначительное увеличение предела текучести, а остальные свойства при растяжении не изменяются. Однако после превышения флюенсов, соответствующих инкубационному периоду, скорость радиационного упрочнения и охрупчивания велика, а при больших флюенсах она снижается, и наблюдается эффект «насыщения» (рис. 13.41).

Рис. 13.41. Изменение механических свойств низкоуглеродистой (0,2 мас.% С) стали при растяжении в зависимости от флюенса нейтронов:

1 – предел прочности; 2 – предел текучести; 3 – равномерное удлинение; 4 – общее удлинение

Как видно на рисунке, предел текучести стали изменяется намного сильнее, чем предел прочности. При этом с увеличением флюенса облучения значение предела текучести приближается к величине предела прочности, т.е. наблюдается значительное уменьшение способности материала к деформационному упрочнению.

381

Согласно результатам ряда исследований при облучении нейтронами низкоуглеродистой стали флюенсами от 1017 до 1019 нейтр./см2 ее предел текучести, как и сдвиг критической температуры Тх, увеличивается в соответствии с уравнением

1018 нейтр./см2 (отношение тепловых нейтронов к быстрым – 10:1). Аналогичная зависимость изменения предела текучести от флюенса нейтронов для ряда отечественных ферритных и фер-

вующий инкубационному периоду облучения (φt0 ~ 4·10 нейтр./см ).

Влияние энергетического спектра нейтронов. Степень упрочнения и охрупчивания сталей в значительной степени зависит от энергетического спектра нейтронов. Поэтому правильная оценка радиационной стойкости стали по данным изменения свойств образцов после облучения тем или иным флюенсом быстрых нейтронов может быть сделана лишь с учетом реального спектра нейтронов.

На рис. 13.42 показана зависимость прироста предела текучести низкоуглеродистой стали от флюенса быстрых нейтронов при различных энергетических спектрах.

Как видно на рисунке, для одинаковых флюенсов быстрых нейтронов предел текучести изменяется на различную величину при разных энергетических спектрах потока нейтронов. Это свидетельствует о заметной роли нейтронов с энергией менее 1 МэВ в создании упрочняющих дефектов в стали. Следует отметить, что интенсивность нейтронного потока (флакс), а следовательно, скорость набора заданного флюенса не оказывает заметного влияния на величину изменения механических свойств.

382

Рис. 13.42. Изменение предела текучести низкоуглеродистой стали в зависимости от флюенса быстрых

нейтронов (Е > 1 МэВ, Тобл ~ 150 °С): 1 – реактор РФТ;

2– водо-водяной реактор; 3 – спектр деления

Влияние температуры облучения на степень изменения механи-

ческих свойств ферритных сталей наблюдается начиная с температур 120–140 ºС, а при температурах выше 220–240 ºС особенно чувствительны к температуре облучения динамические свойства. В частности, облучение нейтронами при T = 130–140 ºС образцов из низколегированных сталей приводит к более сильному охрупчиванию, чем облучение при температуре 50–60 ºС. Кроме того, показано, что отжиг облученных при T = 30 ºС образцов таких сталей приводит к их дополнительному упрочнению и охрупчиванию, которое наблюдается в области температур 100–300 ºС (рис. 13.43). Это обусловлено, вероятно, движением и коагуляцией созданных точечных дефектов, либо радиа- ционно-стимулированным выделением дисперсных карбидов и нитридов.

Рис. 13.43. Изменение свойств при растяжении облученной низколеги-

рованной стали в зависимости от температуры отжига

(температура облучения – 30 °С, доза – 1,7·1018 дел/см3):

1, 2 – предел прочности до и после облучения; 3, 4 – нижний предел текучести до и после облучения; 5, 6 – удлинение образца до и после облучения

383

процесса старения. В аустенитных сталях вследствие облучения нейтронами кроме обычного радиационного упрочнения наблюда-

ется высокотемпературное радиационное охрупчивание (ВТРО).

Этот эффект обнаружен сравнительно недавно и должен учитываться при проектировании высокотемпературных реакторов. Поэтому в настоящее время, изучая радиационную стойкость аустенитных сталей, следует рассматривать обычное радиационное упрочнение, которое происходит при облучении при комнатных и относительно невысоких (ниже 600 С) температурах, а также высокотемпературное радиационное охрупчивание, наблюдаемое при облучении нейтронами при температурах выше 600–650 С.

Облучение нейтронами аустенитных сталей при температурах ниже 600 С, как и ферритных, приводит к повышению предела текучести, предела прочности, твердости и сопровождается уменьшением пластичности и величины ударной вязкости материала. Однако аустенитные стали в отличие от ферритных после облучения даже большими флюенсами нейтронов полностью не охрупчиваются и сохраняют определенный запас пластичности. В частности, облучение аустенитных сталей нейтронами (Е > 1 МэВ) флюенсами ~1020 нейтр./см2 при температурах ниже 600 С приводит к возрастанию предела текучести на 110–130 %, а предела прочности

– на 15–20 %. При этом, несмотря на значительное снижение относительное удлинения на 40–50 %, их пластичность, в отличие от низколегированных сталей ферритного и ферритно-перлитного классов остается достаточно высокой. При повышении флюенса от 2·1020 до 4·1021 нейтр./см2 происходит лишь небольшое увеличение пределов текучести и прочности отожженной аустенитной стали, и при этом наблюдается дальнейшее уменьшение пластичности материала. Однако даже после облучения флюенсом 1,1·1022 нейтр./см2 аустенитная сталь является еще достаточно пластичной при комнатной температуре: удлинение образцов стали SS347 (18% Cr, 10% Ni, 0,5% Nb) составляет 23 %.

Интересным следствием облучения аустенитных сталей является появление на диаграмме растяжения облученных образцов, как видно на рис. 13.44 (кривые 1 и 2), площадки текучести.

387

Рис. 13.44. Диаграммы растяжения образцов аустенитной стали SS347 до и после облучения

при комнатной температуре флюенсом

1,1·1022 нейтр./см2:

1, 2 – облученные образцы; 3 – необлученный образец; 4 – облученный и отожженный образец (1, 3, 4 – испытание при T =25 °С; 2 – испытание при T = 316 °С)

Изучение свойств при растяжении образцов аустенитных сталей до и после облучения различными флюенсами показывает, что небольшие изменения механических свойств аустенитных сталей происходят уже после облучения флюенсом 1017 нейтр./см2, однако интенсивные изменения механических свойств сталей наблюдаются при флюенсах в интервале от 1017 до 7·1019 нейтр./см2. При этом, как и для ферритных сталей (см. рис. 13.41), изменение предела текучести закаленной и отожженной аустенитной стали в зависимости от флюенса происходит намного сильнее, чем изменение предела прочности. Следует отметить, что поведение предварительно деформированной стали при облучении нейтронами несколько отличается от поведения отожженной стали. Это отличие проявляется, в основном, в изменении величины предела текучести, которая после облучения образцов деформированной стали флюенсом 1020 нейтр./см2 увеличивается всего лишь на 20–30 %.

Повышение температуры облучения нейтронами аустенитной стали от 100 до 220–250 ºС практически не влияет на величину изменения механических свойств. Влияние температуры облучения в интервале 250–350 ºС зависит от состава стали, что, по-видимому, обусловлено, наряду с возникновением радиационных дефектов и их комплексов, частично происходящим распадом твердого раствора.

Дальнейшее повышение температуры облучения (выше 350 ºС) приводит к уменьшению эффекта влияния облучения в аустенит-

388