МНОГОСЛОЙНЫЕ СВАРНЫЕ КОНСТРУКЦИИ И ТРУБЫ

ВЛИЯНИЕ РЕАКТОРНОГО ОБЛУЧЕНИЯ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОРПУСНОЙ РУЛОННОЙ СТАЛИ И ЕЕ СВАРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

С целью расширения области применения высокопрочной теп­лоустойчивой рулонной стали, предназначенной для изготовления сосудов высокого давления, были проведены исследования влияния реакторного облучения на ее служебные свойства. Исследовался Основной металл, а также металл сварного шва, выполненного сва­рочной проволокой Св-10ХГСН2МТ под флюсом АН-43 (таблица).

Испытания прочностных свойств при одноосном растяжении в про­цессе облучения проводили по методике [1], которая обеспечивает деформирование исследуемых образцов в широком диапазоне по­стоянных скоростей и температур.

Для испытаний на растяжение предварительно облученных об­разцов использовали дистанционную универсальную машину УМ Д-5. Ударную вязкость после облучения измеряли на дистанционном маят­никовом копре КДМ-30 при максимальной запасенной энергии маят­ника копра 1,47 • 10~[4] Дж.

Образцы на растяжение изготавливали штамповкой из предва­рительно сошлифованного листового материала в виде двойной ло­патки с размерами рабочей части 3x0,5x13. Штамповка производи­лась таким образом, чтобы направление заводской прокатки, ось металла сварного шва и ось растяжения совпадали.

Ударная вязкость определялась на образцах размером 4х10х X 55 мм с радиусом у вершины надреза 0,25 мм.

Образцы облучали в ненагруженном состоянии в материаловед - ческих каналах реактора ВВР-М при температуре 350 °С. Температу-

ра облучения регулировалась изменением давления газа (гелия), за­полняющего зазор между облучаемым образцом и охлаждаемой стен­кой канала [2]. Разброс температуры, измеряемой тремя термопарами, не превышал по длине образца ±10 °С. Плотность потока быстрых нейтронов (Е >■ 1 МэВ) в каналах при мощности реактора 10 МВт составляла 5,5 ■ 1013 нейтр. см—1 с-2.

Испытания в процессе облучения проводили со скоростью растя­жения 2 ■ 10 3, 2 • 10~4, 2 • 10-э с-1 при температуре 350 °С после набора флюенса быстрых нейтронов 0,5 • 1020 и 2 • 1020 нейтр. см—2- Флюенс нейтронов в случае послереакторных испытаний составлял ту же величину, а скорость растяжения — 3 мм/мин при температу­рах испытания 20, 300, 350 и 400 °С.

^Полученные в процессе облучения экспериментальные результаты влияния реакторного облучения на прочностные свойства стали в за­висимости от скорости деформирования представлены на рис. 1. Как видно, влияние облучения на механические свойства зависят от дозы облучения и скорости растяжения. Так, если скорость растяжения составляет 2 • 10—л с-1, то прочностные свойства при испытаниях в процессе облучения выше, чем в необлученном состоянии, степень ра­диационного упрочнения с дозой снижается: при дозе 0,5 X X 1020 нейтр. см-2 упрочнение составляет Аств = 160 МПа и Aon. i’ = = 120 МПа; при дозе 2 • 1020 нейтр. см~2 Аов = 50 МПа и Аа0,2 = = 100 МПа. Уменьшение интенсивности радиационного упрочнения^— одна из особенностей дозовой зависимости прочностных свойств [3]. Для чистого железа эффект насыщения наблюдается при дозе 1019 нейтр. см-2, а для сплавов железа доза насыщения выше.

При скорости деформирования 2 • 10—3 с-1 упрочнение при 0,5 • 1020 нейтр. см-2 не обнаружено, а при дозе 2 • 1020 нейтр. см-2 величина упрочнения та же, что и для скорости 2 • 10~s с-1.

Таким образом, при флюенсе 0,5 ■ 1020 нейтр. см~2 проявляется «аномальная» зависимость прочностных свойств (меньшей скорости растяжения соответствуют большие значения (тв и (То. г), а при флюен­се 2 • 1020 нейтр. см~2 значения ов и о0|2 не зависят от скорости деформирования.

Повышение значений сгв и сго. г для облучаемых образцов основного металла при флюенсе 2 • 1020 нейтр. см-2 при всех скоростях дефор­мации, наблюдаемое при нейтронном облучении в большинстве случа -

£ 1000 $

і 900 «о

всю

ТОО

600

Рис. 2. Скоростные зависимости прочностных свойств металла сварно­го шва. Обозначения те же, что и на рис. 1.

ев (в частности, на нержавеющих сталях), может быть объяснено эффектом низкотемпературного радиационного упрочнения, связан­ного с образованием на пути движения дислокаций дополнительных барьеров радиационного происхождения.

Результаты исследования прочностных свойств металла сварного шва при растяжении в процессе облучения представлены на рис. 2. Как видно, поведение металла сварного шва при обеих изученных дозах аналогично поведению основного материала при дозе 0,5 • 1020: средние значения величин ств и ап,2 уменьшаются с увеличением ско­рости растяжения.

Обнаруженная «обратная» зависимость прочностных свойств от скорости активного растяжения при исследовании основного металла и металла сварного шва представляет особый интерес. Проявление такой зависимости подтверждает принципиальную важность исследо­вания физико-механических свойств материалов в процессе облуче­ния при температурах 0,3—0,47іпл, когда определяющими считаются кратковременные, а не длительные прочностные свойства. Аномаль­ное поведение основного металла при флюенсе 0,5 • 1020 нейтр. см-2 и металла сварного шва при флюенсах 0,5 • 1020 и 2 • 1020 нейтр. см-2 связано, вероятно, с переходом от дислокационно-субструктурного механизма деформационного упрочнения в необлучаемых образцах к диффузионно-дислокационному механизму в процессе облучения. Последний обусловлен диффузионной релаксацией напряжений в деформируемых материалах и проявляется в виде «обратной» скорост­ной зависимости физико-механических свойств [41. Проявлению действия механизма диффузионно-дислокационного упрочнения спо­собствует миграция избыточных точечных дефектов, образующихся при облучении. Необходимым условием диффузионно-дислокацион­ного упрочнения является также постоянство скорости деформирова­ния, обеспечивающее равенство между внутренним сопротивлением деформированию и прилагаемой растущей нагрузкой [4]. Как пока­зано в [5], при этом происходит перераспределение примесей в неодно­родном поле внутренних напряжений и их релаксация вследствие на­правленной (восходящей) диффузии. Такое перераспределение, наря­ду с процессами микротекучести и диффузионного залечивания очагов разрушения, повышает структурную однородность решетки и лежит в основе программного упрочнения кристаллических тел [4]. Харак­терно, что «обратная» скоростная зависимость прочностных свойств

основного металла проявляется в процессе облучения после радиа - ционно-термического старения до флюенса 0,5 • 1020 нейтр. см**2. При флюенсе 2 • 1020 нейтр. см-2 это явление в стали уже не прояв­ляется, а в случае металла сварного шва несколько снижается, что проявляется в уменьшении наклона скоростной зависимости проч­ностных свойств. Таким образом, с увеличением времени предвари­тельного радиационно-термического воздействия (дозы облучения при температуре испытания) упрочнение проявляется вследствие об­разования радиационных дефектов, без воздействия пластической деформации. Такое упрочнение сопровождается охрупчиванием ма­териала.

Механические свойства предварительно облученного основного металла при скорости растяжения 3 мм/мин и температуре испыта­ния 350 °С согласуются с соответствующими данными, полученными при испытаниях в процессе облучения, что свидетельствует о стабиль­ности радиационных изменений, которые происходят в процессе облу­чения. Максимум в температурной зависимости прочностных свойств исходных образцов, проявляющийся при температуре испытаний 350 °С, с увеличением флюенса уменьшается (рис. 3) и почти полно­стью исчезает при флюенсе 2 • 1020 нейтр. см*2, что согласуется с переходом к обычной скоростной зависимости прочностных свойств при этом флюенсе.

Упрочнение облученного до дозы 0,5 • 1020 нейтр. см-2 металла не сопровождалось заметным ухудшением пластических свойств. Сле­довательно, при такой дозе облучения и на данном этапе радиационно­термического старения происходит диффузионное перераспределение дефектов, способствующих реализации процессов релаксации локаль­ных перенапряжений, что, в свою очередь, создает благоприятные ус­ловия для программного упрочнения предварительно облученного ма­териала. Степень изменения условного предела текучести предвари­тельно облученных образцов выше, чем степень изменения предела прочности ав■ Можно полагать, что более резкое увеличение Оо,2 свя - бано с ростом среднего значения распределения стартовых напряже­ний движения дислокаций за счет создания новых центров закрепле­ния и стопорения источников движения. При малых дозах облучения количество центров закрепления является линейной функцией дозы облучения [3].

Предварительное облучение сварных швов также приводит к повышению прочностных свойств (рис. 4), что свидетельствует о ста-

бильности радиационных дефектов, приводящих н упрочнению. За­метим, что повышение прочностных характеристик в случае металла шва сопровождалось некоторым повышением пластичности. Следова­тельно, упрочнение не связано с выделением при облучении обособ­ленных фаз, а определяется процессами, происходящими в твердом растворе материала основы. Несколько повышенная пластичность предварительно облученных образцов металла сварного шва, воз­можно, вызвана повышенным содержанием никеля в металле шва. Повышение содержания в перлитных сталях никеля вплоть до 3 % при минимальных концентрациях некоторых примесей (мышьяк, медь, фосфор) повышает радиационную стойкость и увеличивает плас­тичность [6]. При проведении испытаний в процессе облучения пере­сыщение структуры точечными дефектами, возможно, ослабляет зернограничную прочность, что должно приводить к снижению плас­тичности. В работе [7] отмечается, что предварительное облучение перед испытанием меньше влия­ет на снижение пластичности, чем облучение в процессе его.

Результаты испытания на ударную вязкость предвари­тельно облученных образцов (рис. 5) показали, что темпера­тура хрупкости, определенная по снижению максимального уровня ударной вязкости до ве­личины 20 Дж/см2, повышается примерно на 40 °С при дозе 0,5 • 1020 нейтр. см-2 и этот сдвиг сохраняется при дозе 2 • 1020 нейтр. см-2. Аналогич­ным образом проявляется также радиационный прирост предела текучести при комнатной тем­пературе испытания (рис. 3):
величины 0(1,2 при этой температуре для обеих доз одинаковы. Такая корреляция свидетельствует о том, что возрастание температуры хрупкости связано с увеличением температурно-независимой со­ставляющей предела текучести.

Таким образом, исследованные в процессе и после облучения сталь и ее сварные швы обладают высокими прочностными свойства­ми. Выявленная «обратная» скоростная зависимость прочностных свойств основного металла при флюенсе 0,5 • 1020 нейтр. см-2 и сварных швов при флюенсах 0,5 • 1020 и 2 • 1020 нейтр. см-2 свиде­тельствует о проявлении дислокационно-диффузионного механизма упрочнения при деформировании образцов в процессе облучения при 350 °С.