Радиационное и термическое охрупчивание корпусных реакторных сталей: связь механизмов охрупчивания и разрушения с характеристиками зарождения и распространения микротрещин. Часть 1. Стратегия, программа и методы экспериментальных и расчетных исследований

Развитие моделей хрупкого разрушения рассмотрено с точки зрения связей характеристик хрупкого разрушения на микроуровне с механизмами охрупчивания и разрушения корпусных реакторных сталей. Разработана стратегия и представлена программа экспериментальных и расчетных исследований, которые позволяют установить, как различные механизмы охрупчивания и разрушения связаны с условиями зарождения и распространения микротрещин, приводящих к хрупкому разрушению корпусных реакторных сталей. Экспериментальные и расчетные исследования выполняются для сталей 15Х2НМФА и A533, которые используются для корпусов реакторов типа ВВЭР и PWR соответственно. Эти материалы исследованы в следующих состояниях: 1) исходное (состояние поставки); 2) термически охрупченное, которое моделирует упрочняющий механизм охрупчивания; 3) термически охрупченное, которое моделирует неупрочняющий механизм охрупчивания; 4) облученное. Экспериментальные исследования включали испытания образцов разной геометрии (гладкие цилиндрические образцы, цилиндрические образцы с кольцевым надрезом, образцы с трещиной), что позволило получить характеристики хрупкого разрушения при разной жесткости напряженного состояния. Расчетные исследования выполняли на основе вероятностной модели хрупкого разрушения Prometey, что позволило получить количественные оценки характеристик разрушения на микро- и макроуровнях для каждого состояния материала. 
В части 1 настоящей работы представлена информация об исследуемых материалах, процедурах и методах исследований. В части 2 приведены результаты испытаний гладких цилиндрических образцов и истинные кривые деформирования, которые необходимы для расчета напряженнодеформированного состояния различных образцов. В части 3 будут представлены экспериментальные и расчетные исследования для образцов разной геометрии из исследуемых материалов в различных состояниях и результаты прогнозирования на основе модели Prometey.

1. ГОСТ 59115.14–2021. Обоснование прочности оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок. Расчет на сопротивление хрупкому разрушению корпуса водо-водяного энергетического реактора. – М.: Российский институт стандартизации. 2021.

2. Alekseenko N. N., Amaev A. D., Gorynin I. V., Nikolaev V. A. Radiation damage of nuclear power plant pressure vessel steels. Illinois USA: La Grange Park, 1997.

3. Хоуторн Дж. Р. Радиационное охрупчивание // Охрупчивание конструкционных сталей и сплавов / Под ред. К. Л. Брайента, С. К. Бенерджи. – М.: Металлургия, 1988.

4. Nikolaev V. A., Rybin V. V. Mechanisms controlling the composition influence on radiation hardening and embrittlement of iron-base alloy // Effect of radiation on materials: 17th International Symposium, ASTM STP 1270, 1996. – P. 3–24.

5. Intergranular and intragranular phosphorus segregation in Russian pressure vessel steels due to neutron irradiation / B. A. Gurovich, E. A. Kuleshova, Y. I. Shtrombakh et al. // J. Nucl. Mater. – 2000. – V. 279. – P. 259–272.

6. English C. A., Ortner S .R., Gage G., Server W. L., Rosinski S.T. Review of phosphorus segregation and intergranular embrittlement in reactor pressure vessel steels // Effect of radiation on Materials: 20th Int. Symposium, ASTM STP 1405; ASTM; 2001. – P. 152–173.

7. Kryukov A., Debarberis L., Von Estorff U., Gillemot F., Oszvald F. Irradiation Embrittlement of Reactor Pressure Vessel Steel at Very High Neutron Fluence // J. Nucl. Mater. – 2012. – N 422 (1). – P. 173–177. JRC66610

8. Guojun Wei, Chenlong Wang, Xingwang Yang, Zhenfeng Tong, Weinwang Wu. Non-hardening embrittlement mechanism of pressure vessel steel Ni–Cr–Mo–V welds during thermal aging // Advances in Mechanical Engineering. – 2020. – N 12 (2). – P. 1–7.

9. Marini B., Averty X., Wident P., Forget P., Barcelo F. Effect of the bainitic and martensitic microstructures on the hardening and embrittlement under neutron irradiation of a reactor pressure vessel steel // J. Nucl. Mater. 2015. – N 465. – P. 20–27.

10. Margolin B. Z., Yurchenko E. V., Morozov A. M., Pirogova N. E., Brumovsky M. Analysis of a link of embrittlement mechanisms and neutron flux effect as applied to reactor pressure vessel materials of WWER. J.Nucl.Mater. – 2013. – N 434. – P. 347–356.

11. Margolin B., Yurchenko E., Potapova V., Pechenkin V. On the Modelling of Thermal Aging through Neutron Irradiation and Annealing. Advances in Materials Science and Engineering. 2018, Article ID 7175083. https://doi.org/10.1155/2018/7175083

12. Margolin B. Z., Shvetsova V. A., Gulenko A. G. Radiation embrittlement modelling in multi-scale approach to brittle fracture of RPV steels // Int. J. Fract. – 2013. – N 179. – P. 87–108.

13. Beremin F. M. A local criterion for cleavage fracture of a nuclear pressure vessel steel // Metall Trans A. – 1983. – N 14. – P. 2277–2287.

14. Pisarenko G. S., Krasowsky A. J. Analysis of kinetics of quasibrittle fracture of crystalline materials // Proc. Int. Conf. Mech. Behav. Mater. “Mechanical Behaviour of Materials”, Kyoto, 1971. V. I. – P. 421– 432.

15. Ritchie R. O., Knott J. F., Rice J. R. On the relation between critical tensile stress and fracture toughness in mild steel // J. Mech. Phys. Solids. – 1973. – N 21. – P. 395–410.

16. Копельман Л. А. Сопротивляемость сварных швов хрупкому разрушению. – Л.: Машиностроение, 1978.

17. Мешков Ю. Я. Физические основы разрушения металлических конструкций. – Киев: Наукова Думка, 1981.

18. Mudry F. A local approach to cleavage fracture // Nuclear Engineering and Design. – 1987. – V. 105. – P. 65–76.

19. Margolin B. Z., Gulenko A. G., Shvetsova V. A. Improved probabilistic model for fracture toughness prediction for nuclear pressure vessel steels // Int. J. Pres. Ves. & Piping. – 1998. – B. 75. – P. 843–55.

20. Bordet S. R., Karstensen A. D., Knowles D. M., Wiesner C. S. A new statistical local criterion for cleavage fracture in steel // Eng. Fract. Mech. – 2005. – V. 72. – P. 435–74.

21. Pineau A. Development of the local approach to fracture over the past 25 years: theory and application / Carpinteri A., Mai Y.–W., Ritchie R., ed. // ICF11 2005. Honour and Plenary Lectures Presented at the 11th International Conference on Fracture (ICF11), Held in Turin, Italy, on March 20–25, 2005. – Springer, 2006. – P.139–166.

22. Tanguy B., Bouchet C., Bordet S. R., Besson J., Pineau A. Toward a better understanding of a cleavage in RPV steels: Local mechanical conditions and evaluation of a nucleation enriched Weibull model and of the Beremin model over large temperature range / Besson J., Moinerau D., Steglich D., ed. // EUROMECH-MECAMAT 2006: local approach to fracture. – Paris: Presse des Mines, 2006. – P. 129–134.

23. Parrot A., Dahl A., Forget P., Marini B. Evaluation of fracture toughness from instrumented Charpy impact tests for a reactor pressure vessel steel using local approach to fracture / Besson J., Moinerau D., Steglich D., ed. // EUROMECH-MECAMAT 2006: local approach to fracture. – Paris: Presse des Mines, 2006. – P. 291–296.

24. Tanguy B., Bouchet C., Bugat S., Besson J. Local approach to fracture based prediction of the ∆T56J and ∆TIc,100 shifts due to irradiation for an A508 pressure vessel steel // Eng. Fract. Mech. – 2006. – V. 73. – P. 191– 206.

25. Margolin B. Z., Shvetsova V. A., Gulenko A. G., Kostylev V. I. Prometey local approach to brittle fracture: development and application // Eng. Fract. Mech. – 2008. – V. 75. – P. 483–498.

26. Ruggieri C., Dodds H. An engineering methodology for correction of elastic-plastic fracture toughness – Part I: A review on probabilistic models and exploration of plastic strain effects // Eng. Fract. Mech. – 2015. – V. 134. – P. 368–390.

27. Марголин Б. З., Фоменко В. Н., Гуленко А. Г., Костылев В. И. Швецова В. А. Дальнейшее развитие модели Prometey и метода Unified Curve. Часть 1. Развитие модели Prometey // Вопросы материаловедения. – 2016. – № 4(88). – C. 120–150.

28. Wallin K. The scatter in KIC results // Eng. Fract. Mech. – 1984. – V. 19. – P. 1085–1093.

29. Wallin K. The size effect in KIC results // Eng. Fract. Mech. – 1985. – V. 22. – P. 149–163.

30. ASTM E 1921–13. Standard Test Method for Determination of Reference Temperature, T0, for Ferritic Steels in the Transition Range. West Conshohocken PA USA: Annual Book of ASTM Standards. ASTM International, 2013.

31. 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. – V. 80. – P. 817–829.

32. Margolin B. Z., Fomenko V. N., Gulenko A. G., Kostylev V. I., Shvetsova V. A. On issue of comparison of the Unified Curve and Master Curve methods and application for RPV structural integrity assessment // Strength of Materials. – 2016. – N 48 (2). – P. 227–250.

33. Марголин Б. З., Фоменко В. Н., Гуленко А. Г., Костылев В. И. Дальнейшее развитие модели Prometey и метода Unified Curve. Часть 2. Развитие метода Unified Curve // Вопросы материаловедения. – 2016. – № 4(88). – C. 151–178.

34. Марголин Б. З., Швецова В. А. Критерий хрупкого разрушения: структурно-механический подход // Проблемы прочности. – 1992. – № 2. – С. 3–16.

35. Margolin B. Z., Shvetsova V. A. Local criterion for cleavage fracture: structural and mechanical approach // J. Phys. IV. – 1996. – N 6. – P. 225–234.

36. Di Fant M., Carius H., Carollo G., Cleizergues O., Le Cog V., Mudry F. Local approach to brittle fracture: Discussion on the effects of temperature and strain on the critical cleavage stress // 2nd Griffiths Conf. on Mechanisms of Fracture and their Structural Significance, Sheffield, 13–15 Sept. 1995.

37. Margolin B. Z., Shvetsova V. A., Gulenko A. G., Kostylev V. I. Application of a new cleavage fracture criterion for fracture toughness prediction for RPV steels // Fatigue Fract. Engng. Mater. Struct. – 2006. – V. 29(9). – P. 697–713.

38. Margolin B. Z., Shvetsova V. A., Gulenko A. G., Kostylev V. I. Development of Prometey local approach and analysis of physical and mechanical aspects of brittle fracture of RPV steels // Int. J. Pres. Ves. & Piping. – 2007. – N 84. – P. 320–36.

39. Владимиров В. И. Физическая природа разрушения металлов. – M.: Металлургия, 1984.

40. Computational Methods in the Mechanics of Fracture / Ed. S. N. Atluri. – Elsevier Science Publishers: New Holland, 1986.

41. Cherepanov G. P. Mechanics of Brittle Fracture. – New York: McGraw-Hill, 1979. – 950 p.

42. Margolin B., Fomenko V., Shvetsova V., Shishkov F., Yurchenko E. The plastic strain effect on cleavage microcracks propagation // Eng. Fract. Mech. – 2023. – V. 290. – Art. 109446.

43. ГОСТ 59115.6–2021 Обоснование прочности оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок. Методы определения характеристик трещиностойкости конструкционных материалов. – М.: Российский институт стандартизации, 2021.

44. ASTM Е 1820–05. Standard Test Method for Measurement of Fracture Toughness, Annual Book of ASTM Standards, Section 3, V. 03.01. – P. 1040–1067.

45. Margolin B. Z., Karzov G. P., Shvetsova V.A., Keim E., Chaouadi R. Application of local approach concept of cleavage fracture to VVER materials // Proc. of PVP 2002 ASME Pressure Vessels and Piping Conference, August 4–8, 2002, Vancouver, BC, Canada.

46. ГОСТ 1497–84. Металлы. Методы испытаний на растяжение.

47. ГОСТ 11150–84. Металлы. Методы испытаний на растяжение при низких температурах.

48. ГОСТ 9651–84. Металлы. Методы испытаний на растяжение при высоких температурах.