Особенности канального разрушения облученных аустенитных сталей. Часть 1. Экспериментальные исследования

Представлены результаты экспериментальных исследований характеристик и механизмов разрушения аустенитной стали 10Х18Н9, облученной при 400°С до повреждающей дозы около 15 сна. В условиях одноосного растяжения гладких цилиндрических образцов и цилиндрических образцов с кольцевым надрезом в диапазоне температур от 20 до 500оС получены характеристики разрушения и выполнен анализ основных мод разрушения испытанных образцов методом сканирующей электронной микроскопии с акцентом на специфический механизм разрушения облученных аустенитных сталей – канальное разрушение. На основании выполненных исследований определен температурный диапазон реализации канального разрушения и установлены основные его особенности. В температурном диапазоне канального разрушения наблюдается значительное уменьшение деформационного упрочнения, что обусловлено канальным (локализованным) деформированием в облученной стали, которое является необходимым условием для реализации канального разрушения. Выполнена оценка вкладов различных мод разрушения в зависимости от трехосности напряженного состояния и температуры испытаний. Показано, что доля площади поверхности канального разрушения относительно площади всей поверхности разрушения увеличивается с увеличением трехосности. Исследован рельеф областей канального разрушения и поверхностей внутризеренных фасеток канального разрушения. На поверхностях этих фасеток выявлены выходы вторичных деформационных каналов, которые расположены регулярно через 1–2 мкм. Полученные результаты использованы для разработки модели и критерия канального разрушения, которые представлены во второй части настоящей работы, а также для верификации предложенного критерия.

1. Neustroev V. S., Garner F. A. Very high swelling and embrittlement observed in a Fe–18Cr–10Ni–Ti hexagonal fuel wrapper irradiated in the BOR-60 fast reactor. Fusion Materials // Semiannual Progress report for Period Ending December 31. – 2007. V.43. – P. 109–122.

2. Неустроев В. С., Голованов И. Н., Шамардин В. К. Вызванное распуханием охрупчивание облученных аустенитных сталей // Вопросы атомной науки и техники. – 2007. – T. 2. – С. 119–124.

3. Марголин Б. З., Сорокин А. А. К вопросу о природе влияния радиационного распухания на предел прочности облученных аустенитных материалов // Вопросы материаловедения. – 2012. – № 1 (69). – С. 148–162.

4. Марголин Б. З., Сорокин А. А., Швецова В. А., Минкин А. И., Потапова В. А., Смирнов В. И. Влияние радиационного распухания и особенностей деформирования на процессы разрушения облученных аустенитных сталей при статическом и циклическом нагружении. Часть I. Пластичность и трещиностойкость // Вопросы материаловедения. – 2016. – № 3 (87). – С. 159–191.

5. Марголин Б. З., Швецова В. А., Сорокин А. А., Минкин А. И., Пирогова Н. Е. Исследование состояния металла внутрикорпусных устройств реактора ВВЭР после 45 лет эксплуатации. Часть 4. Характеристики прочности и пластичности и механизмы разрушения // Вопросы материаловедения. – 2021. – № 1 (105). – С. 116–144.

6. Hunter C. W., Fish R. L., Holmes J. J. Channel Fracture in Irradiated EBR-II Type 304 Stainless Steel // American Nuclear Society Transactions. – 1972. – V. 15, N 1. – P. 254–255.

7. Fish R. L., Hunter C. W. Tensile properties of fast reactor irradiated type 304 stainless steel. Irradiation effects on microstructure and properties of metals, ASTM STP 611 // American Society for Testing and Materials. – 1976. – P. 119–138.

8. Huang F. H. Comparison of fracture behavior for low-swelling ferritic and austenitic alloys irradiated in the fast flux test facility (FFTF) to 180 dpa // Engineering Fracture Mechanics. – 1992. – V. 43, N 5. – P. 733–748.

9. Sharp J. V. Correlation between cleared channels and surface slip steps in neutron irradiated copper crystals // Radiation Effects: Incorporating Plasma Science and Plasma Technology. – 1972. – V. 14. – P. 71–75.

10. Edwards D. J., Singh B. N., Bil de -S ø re n se n J. B. Initiation and propagation of cleared channels in neutron-irradiated pure copper and a precipitation hardened CuCrZr alloy // J. Nucl. Mater. – 2005. – V. 342. – P. 164–178.

11. Byun T. S., Hashimoto N., Farrell K., Lee E. H. Characteristics of microscopic strain localization in irradiated 316 stainless steels and pure vanadium // J. Nucl. Mater. – 2006. – V. 349. – P. 251–264.

12. Byun T. S., Hashimoto N., Farrell K. Deformation mode map of irradiated 316 stainless steel in true stress-dose space // JNM. – 2006. – V. 351. – P. 303–315.

13. Ananthakrishna G. Chapter 73 Statistical and Dynamical Approaches to Collective Behavior of Dislocations // Dislocations in Solids. – 2007. – V. 13. – P. 81–223.

14. Gussev M. N., Field K. G., Busby J. T. Deformation localization and dislocation channel dynamics in neutron-irradiated austenitic stainless steels // JNM. – 2015. – V. 460. – P. 139–152.

15. Doyle P. J., Benensky K. M., Zincle S. J. Modelling of dislocation channel width evolution in irradiated metals // JNM. – 2017. DOI: 10.1016/j.jnucmat.2017.10.063

16. Barrioz P. O., Hure J., Tanguy B. Effect of dislocation channeling on void growth to coalescence in FCC crystals // Materials Science & Engineering A. https://doi.org/10.1016/j.msea.2019.01.115

17. Xiao X. Fundamental mechanisms for irradiation-hardening and embrittlement: a review // Metals 2019. – V. 9. – P. 1132.

18. Griffiths M. Effect of neutron irradiation on the mechanical properties, swelling and creep of austenitic stainless steels // Materials. – 2021. – V. 14. – P. 2622.

19. Griffiths M. Strain localisation and fracture of nuclear reactor core materials // J. Nucl. Eng. – 2023. – V. 4. – P. 338–374.

20. Busby J. T., Was G. S., Kenik E. K. Isolating the effect of radiation-induced segregation in irradiation-assisted stress corrosion cracking of austenitic stainless steels // JNM. – 2002. – V. 302. – P. 20–40.

21. Margolin B., Sorokin A., Pirogova N., Toivonen A., Sefta F., Pokor C. Analysis of mechanisms inducing corrosion cracking of irradiated austenitic steels and development of a model for prediction of crack initiation // Engineering Failure Analysis. – 2020. – V. 107. – P. 104235.

22. Chaouadi R. Effect of irradiation-induced plastic flow localization on ductile crack resistance behavior of a 9% Cr tempered martensitic steel // JNM. – 2008. – V. 372. – P. 379–390.

23. Patra A., McDowell D. L. Continuum modelling of localized deformation in irradiated bcc materials // JNM. – 2013. – V. 434. – P. 414–427.

24. Foreman A. J. E., Sharp J. V. A mechanism for the sweeping-up of loops by glide dislocations during deformation // Phil. Mag. – 1969. – V. 19. – P. 931–937.

25. Rodney D. Molecular dynamics simulation of screw dislocations interacting with interstitial frank loops in a model FCC crystal // Acta Materialia. – 2004. – V. 52, is. 3. – P. 607–614.

26. Марголин Б. З., Сорокин А. А., Бучатский А. А., Швецова В. А., Прокошев О. Ю., Пирогова Н.Е. Характеристики и механизмы разрушения облученных аустенитных сталей в области повышенных температур и формулировка критерия разрушения. Часть 1. Экспериментальные исследования // Вопросы материаловедения. – 2022. – № 2 (110). – P. 185–202.

27. Nagy E., Mertinger V., Tranta F., Solyom J. Deformation induced martensitic transformation in stainless steels // Mat. Science and Eng. A. – 2004. – V. 378. – P. 308–313.

28. Twinning and martensite in a 304 austenic stainless steel / Y.E. Shen, X.X. Li, X. Sun et al. // Mat. Science and Eng. A. – 2012. – V. 552. – P. 514–555.

29. Gusev M. N., Field K. G., Busby J. T. Strain-induced phase transformation at the surface of an AISI-304 stainless steel irradiated to 4.4 dpa and deformed to 0.8% strain // J. Nucl. Mater. – 2014. – V. 446. – P. 187–192.

30. Вотинов С. Н., Прохоров В. И., Островский З. Е. Облученные нержавеющие стали. – М.: Наука, 1987.

31. Miura T., Fujii K., Fukuya K. Micro-mechanical investigation for effects of helium on grain boundary fracture of austenitic stainless steel // J. Nucl. Mater. – 2015. – V. 457. – P. 279–290.

32. ASM Handbook, V. 12, Fractography. ASM International, The Materials Information Company, 1998.