Моделирование радиационного упрочнения нержавеющих ферритно-мартенситных и аустенитных сталей посредством облучения в ионном ускорителе. Часть 1. Разработка методологии выбора режима ионного облучения ферритно-мартенситных сталей

Разработана и экспериментально обоснована методология выбора режима облучения ферритно-мартенситных сталей в ионном ускорителе, обеспечивающего радиационное упрочнение этих сталей, идентичное реализующемуся при нейтронном облучении. В качестве меры радиационного упрочнения используется изменение микротвердости по Виккерсу. Проведено исследование радиационно-индуцированного изменения микротвердости ферритно-мартенситных сталей 07Х12НМФБ и ЭП-823 после нейтронного и ионного облучения до повреждающих доз 10–30 сна в интервале температур 350–600°С. Указанные материалы облучались нейтронами в реакторах БОР-60, БН-600 и в ионном ускорителе АО «ГНЦ РФ – ФЭИ» ионами Fe³⁺, Fe⁴⁺ и ионами He⁺ до концентраций 0,2 и 4 appm/сна. Установлена функция перехода, связывающая температуры облучения при нейтронном и ионном облучении при заданной повреждающей дозе с целью обеспечения одинакового радиационного упрочнения аустенитных сталей.

1. Зеленский В. Ф., Неклюдов И. М., Черняева Т. П . Радиационные дефекты и распухание металлов. – Киев: Наук. думка, 1988.

2. Was G. S . Fundamentals of Radiation Materials Science. – Berlin: Springer-Verlag, 2007.

3. Accelerator simulation and theoretical modelling of radiation effects in structural materials // IAEA Nuclear Energy Series. – 2018. – N NF-T-2.2. – Vienna: IAEA.

4. Was G. S. et al. High Fidelity Ion Beam Simulation of High Dose Neutron Irradiation // Simulation of Neutron Damage for High Dose Exposure of Advanced Reactor Materials: Program IRP-RC. URL: https://neup.inl.gov/SiteAssets/FY%202013%20Abstracts/IRP/IRP-University%20of%20Michigan.pdf

5. Was G. S., Jiao Z., Getto E., Sun K., Monterrosa A. M., Maloy S. A., Anderoglu O., Sencer B. H., Hackett M . Emulation of reactor irradiation damage using ion beams // Scr. Mater. – 2014. – V. 88. – P. 33–36.

6. Zinkle S. J., Snead L. L . Opportunities and limitations for ion beams in radiation effects studies: Bridging critical gaps between charged particle and neutron irradiations // Scr. Mater. – 2018. – V. 143. – P. 154–160.

7. Taller S., Coevering G. V., Wirth B. D., Was G. S . Predicting structural material degradation in advanced nuclear reactors with ion irradiation // Scientific Reports. – 2021. – N 11. – C. 2949.

8. Рогожкин С. В., Никитин А. А., Хомич А. А. и др . Имитационные эксперименты на пучках тяжелых ионов для моделирования радиационных повреждений конструкционных материалов активной зоны ядерных и термоядерных энергетических установок // Ядерная физика и инжиниринг. – 2018. – T. 9, № 3. – С. 245–258.

9. Грудзевич О. Т., Печенкин В. А., Кобец У. А. и др . Исследования радиационной стойкости конструкционных материалов на ускорителях ионов // ВАНТ, Серия: ядерно-реакторные константы. – 2022. – Вып. 3. – С. 127–145.

10. Standard Practice for Neutron Radiation Damage Simulation by Charged-Particle Irradiation, ASTM E521-96, 2017

11. Taller S., Jiao Z., Field K., Was G. S . Emulation of Fast Reactor Irradiated T91 Using Duallon Beam Irradiation // J. Nucl. Mater. – 2019. – V. 527, N 151831. – P. 1–14.

12. Phythian W. J., English C. A . Microstructural evolution in reactor pressure vessel steels // Journal of Nuclear Materials. – 1993. – N 205. – P. 162–177.

13. Margolin B. Z., Shvetsova V. A., Gulenko A. G., Kostylev V. I . Prometey local approach to brittle fracture: development and application // Eng. Fracture Mech. – 2008. – V. 75. – P. 3483– 3498.

14. Margolin B. Z., Shvetsova V. A., Gulenko A. G . Radiation embrittlement modeling in multiscale approach to brittle fracture of RPV steel // Int. J. of Fracture. – 2013. – V. 179, Is. 1–2. – P. 87–108.

15. Марголин Б. З., Юрченко Е. В., Морозов А. М., Пирогова Н. Е . Анализ эффекта флакса нейтронов применительно к радиационному охрупчиванию материалов корпусов реакторов ВВЭР // Вопросы материаловедения. – 2012. – № 2 (70). – С. 177–196.

16. Amaev A. D., Gorynin I. V., Nikolaev V. A . Radiation Damage of Nuclear Power Plant Pressure Vessel Steels (Russian Materials Monograph Series, 2) // Am. Nucl. Soc. – 1997. – 282 p.

17. Margolin B., Fomenko V., Shvetsova V., Yurchenko E . On the link of the embrittlement mechanisms and microcrack nucleation and propagation properties for RPV steels. Part II. Fracture properties and modelling // Eng. Fracture Mech. – 2022. – V. 270. – P. 108556.

18. PERFECT (prediction of irradiation damage effects on reactor components): progress with multi-scale modelling in RPV mechanics sub-project / D. Lidbury, S. Bugat, O. Diard, et al . / Editors: J. Besson, D. Moinerau, D, Steglich // Local approach to fracture. – Paris: Ecole des Mines de Paris; 2006. – P. 459–464.

19. Eason E. D. , Odette G. R., Nanstad R. K., Yamamoto T . A Physically Based Correlation of Irradiation-Induced Transition Temperature Shifts for RPV Steels. – ORNL/TM-2006/530, November 2007.

20. Kirk M . Assessment of flux effect exhibited by IVAR database // Proc. of the IAEA Technical Meeting on Radiation embrittlement and Life Management of Reactor Pressure Vessels, Znojmo, Czech Republic, 18– 22 October, 2010.

21. Радиационная повреждаемость и работоспособность конструкционных материалов / А. Д. Амаев, А. М. Крюков, И. М. Неклюдов и др . / Под ред. А. М. Паршина и П. А. Платонова . – СПб.: Политехника, 1997. – 312 с. ил.

22. Марголин Б.З., Юрченко Е.В., Морозов А.М., Варовин А.Я., Рогожкин С.В., Никитин А.А. Исследование влияния пострадиационного отжига на восстановление свойств материалов опорных конструкций корпусов реакторов ВВЭР-440. Ч. 2: Анализ особенностей влияния отжига материала после низкотемпературного облучения // Вопросы материаловедения. – 2022. – № 1 (109). – C. 184–198.

23. ГОСТ Р 70431–2022. Национальный стандарт Российской Федерации. Материалы оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок. Методы определения ударной вязкости и критической температуры хрупкости по результатам испытаний на ударный изгиб.

24. ASTM E 1921-22a. Standard Test Method for Determination of Reference Temperature, T0, for Ferritic Steels in the Transition Range // Annual Book of ASTM Standards. – 2022. – V. 03.01.

25. Margolin B. Z., Gulenko A. G., Nikolaev V. A., Ryadkov L. N . A new engineering method for prediction of the fracture toughness temperature dependence for RPV steels // Int. J. Pres. Ves. & Piping. – 2003. – N 80. – P. 17–829.

26. Margolin B. Z., Gulenko A. G., Fomenko V. N., Kostylev V. I . Further Improvement of the Prometey Model and Unified Curve Method. Part 2: Improvement of the Unified Curve Method // Eng. Fract. Mech. – 2018. – V. 191. – P. 383–402.

27. Марголин Б. З., Юрченко Е. В., Морозов А. М . Пороговые и предельные значения концентраций примесных элементов в материале корпусов реакторов типа ВВЭР // Вопросы материаловедения. – 2013. – № 2 (86) . – С. 152–163.

28. Busby J. T., Hash M. C., Was G. S . The relationship between hardness and yield stress in irradiated austenitic and ferritic steels // Journ. Nucl. Materials. – 2005. – N 336. – P. 267–278.

29. Gorynin I. V., Nesterova E. V., Nikolaev V. A., Rybin V. V . Microstructure and Mechanical Properties of WWER-440 Reactor Vessel Metal After Service Life Expiration and Recovery Anneal // 17th International Symposium “Effects of Radiation on Materials”, ASTM STR 1270, American Society for Testing and Materials, 1996. – P. 248–259.

30. Lucas G. E., Odette G. R., Maiti R., Sheckherd J.W . Tensile Properties of Irradiated Pressure Vessel Steels // Influence of Radiation on Material Properties: 13th International Symposium (Part 2). – ASTM STP 956, 1987. – P. 379–394.

31. Higgy H. R., Hammad F. H. Effect of fast neutron irradiation on mechanical properties of stainless steels: AISI types 304, 316 and 347 // J. Nucl. Mater. – 1975. – V. 55, Is. 2. – P. 177–186.

32. Хоуторн Дж. Р . Радиационное охрупчивание // Охрупчивание конструкционных сталей и сплавов / Под ред. К. Л. Брейента, С. К. Бенерджи / Пер. с англ. – М.: Металлургия, 1988. – С. 423–479.

33. Jones R., Williams T . The Dependence of Radiation Hardening and Embrittlement on Irradiation Temperature. – ASTM STP1270-EB. Paper ID: STP16495S.

34. Марголин Б. З., Юрченко Е. В . Дозовые зависимости для материалов корпусов реакторов ВВЭР и их опорных конструкций // Вопросы материаловедения. – 2023. – № 2 (114) . – С. 166–194.

35. Gaganidze E., Petersen C., Aktaa J . Study of helium embrittlement in boron doped EUROFER97 steels // J. Nucl. Mater. – 2009. – V. 386–388. – P. 349–352.

36. Lysova G. V., Birzhevoy G. A . Kinetics of the radiation-induced hardening of EP-823 steel after Ni++ ion irradiation, annealing and re-irradiation // Journal of surface investigation, X-ray, synchrotron and neutron techniques. – 2012. – V. 6, N 2.

37. MaloyJ., Henry S.A . Irradiation-resistant ferritic and martensitic steels as core materials for Generation IV nuclear reactors. Chapter 9 // Structural Materials for Generation IV Nuclear Reactors. – 2017. – P. 329–355.

38. Иванов А.А., Шулепин С.В., Дворяшин А.М., Конобеев Ю.В., Иванов С.Н., Алексеев Ю.В. , Поролло С.И. Структура и механические свойства стали ЭП-823, 20Х12МН и опытных вариантов 12%-ных хромистых сталей после нейтронного облучения в реакторе БН-350 // Сб. докл. IX Российской конференции по реакторному материаловедению, Димитровград, 2009. – C. 560–573.

39. Григорович В. К . Твердость и микротвердость металлов. – М.: Наука, 1976. – С. 302.

40. Головин Ю. И . Наноиндентирование и его возможности. – М.: Машиностроение, 2009. – С. 312.

41. Plastic zone size for nanoindentation of irradiated Fe–9%Cr ODS / C. K. Dolph et al. // J. Nucl. Mat. – 2016. – V. 481. – P. 33–45.

42. Xiazi Xiao, Long Yu . Nano-indentation of ion-irradiated nuclear structural materials: A review // Nucl. Mater. Energy. Elsevier. – 2020. – V. 22. – Art. 100721.

43. ISO 14577-4. Metallic Materials – Instrumented Indentation Test for Hardness and Materials Parameters – Part 4: Test Method for Metallic and Nonmetallic Coatings. ISO 14577-4, 2016 (E).

44. Wilkinson A. J., Ben T. Britton . Strains, planes, and EBSD in materials science // Materials today. – 2012. – V. 15, Is. 9. – P. 366–376.

45. Gusev M. N., De Bellefon G. M., Rosseel T. M . Analysis of Localized Deformation Processes in Highly Irradiated Austenitic Stainless Steel through In Situ Techniques // Report of Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, TN (United States), 2019, ORNL/TM-2019/1274. – P. 36.

46. Thermal annealing as a method to predict results of high temperature irradiation embrittlement / A. M. Kryukov, L. Debarberis, P. Hähner et al . // J. Nucl. Mater. – 2013. – V. 432, – P. 501–504.

47. ГОСТ Р 8.748–2011. Металлы и сплавы. Измерение твердости и других характеристик материалов при инструментальном индентировании, 2013. – 22 с.