Введение к работе
Актуальность. Циркониевые сплавы, обладающие рядом важных физико-механических свойств, являются основным конструкционным материалом для деталей активной зоны атомных энергетических реакторов. Дальнейшее повышение эффективности использования топлива в реакторах зависит от ресурсных характеристик циркониевых изделий, которые можно повысить путем оптимизации их состава и технологии изготовления, требующей увеличения пластичности материалов в процессе холодной обработки давлением. Для обеспечения оптимальной технологической пластичности циркониевых сплавов необходимо знание закономерностей их деформационного поведения, эволюции микроструктуры в процессе пластического течения и влияния на неё структурно-фазового состояния материала.
Интерес к сплавам циркония и выбор в качестве материала исследований обусловлен также и тем, что характер деформации ГПУ - материалов с отношением с/а < 1.633, поведение кривых их пластического течения и закономерности эволюции дефектной структуры изучены недостаточно. До сих пор не сложилось единого представления даже о природе пластической деформации нелегированного циркония. Деформационные характеристики многокомпонентных технических ГПУ - сплавов на его основе и влияние на них фазового состава и микроструктуры изучены значительно слабее. Отсутствуют систематические исследования эволюции дефектной структуры циркониевых сплавов в процессе пластического течения, механизмов деформационного упрочнения и их взаимосвязи со стадийностью деформационных кривых.
Ранее в работах, выполненных в ИФПМ СО РАН, установлено, что параболическая стадия кривых пластического течения технических ГПУ-сплавов циркония состоит из подстадий с дискретно уменьшающимся показателем параболичности п. Обнаружена неустойчивость пластического течения на параболической стадии с п < 0.5, определяемая колебательным периодическим изменением пространственно-временной картины распределения макролокализации деформации, которое сопровождает процесс образования очага разрушения. Однако физические причины обнаруженного немонотонного деформационного поведения и его взаимосвязь с процессами, протекающими на микро- и мезомасштабных уровнях деформации, остаются не вполне ясными. В то же время, знание закономерностей возникновения и развития макролокализации, приводящих к потере устойчивости пластического течения и разрушению необходимо при оценке способности материала к устойчивой пластической деформации.
В этой связи безусловно актуальной является задача исследования эволюции дислокационной структуры ГПУ циркониевых сплавов, влияния на её ход состава, структуры и типа упрочнения (твердорастворное, дисперсное) и выяснения её роли в потере устойчивости пластического течения ГПУ — сплавов циркония, что представляет самостоятельный научный интерес, а
также служит ключом к пониманию роли факторов, определяющих эффективность деформационного воздействия в процессе холодной обработки давлением.
Целью настоящей работы является установление закономерностей эволюции микроструктуры, их взаимосвязи со стадийностью деформационной кривой и роли в формировании неоднородности пластического течения на мсзо- п макромасштабиых уровнях пластической деформации ГПУ-сплавов циркония.
Достижение поставленной цели требует решения ряда частных задач:
-
Провести классификацию дислокационных субструктур, наблюдаемых в технических ГПУ - сплавах циркония (Э110, Э635, циркалой-2).
-
Исследовать закономерности дислокационных превращений при деформации сплавов циркония с различным фазовым составом, структурой и типом упрочнения.
-
Установить взаимосвязь эволюции дефектных структур со стадийностью деформационных кривых и закономерностями макролокализации пластического течения в циркониевых сплавах.
Научная новизна работы.
1. Впервые проведены классификация дислокационных субструктур и
систематическое исследование их эволюции при пластической деформации
технических ГПУ - сплавов циркония систем Zr-Nb и Zr-Sn с различными
составом, структурой и типом упрочнения.
-
Впервые проведен анализ количественных характеристик микроструктуры и их изменения в процессе деформации циркониевых сплавов.
-
Установлена связь характера дислокационных превращений с показателем иараболичности и кривой пластического течения, которая заключается в том, что на параболической стадии с п > 0.5 преобладают неразориентированные субструктуры, а при п < 0.5 активно формируются разориентированные дислокационно-дисклинационные субструктуры, являющиеся мезоуровнем пластической деформации: полосовые и фрагментированные структуры - для сплавов Zr-Nb, полосы локализации деформации - для сплава системы Zr-Sn.
-
Показано, что ход эволюции дефектных структур, сопровождающей потерю устойчивости пластического течения циркониевых сплавов, определяется составом, структурой (размер зерен и выделений вторых фаз), типом упрочнения (дисперсное, твердорастворное). Так, для сплавов с преимущественно дисперсным упрочнением ротационная неустойчивость при и < 0.5 связана с развитием фрагментированной структуры, а для сплава с эффективным твердорастворным упрочнением кислородом - с образованием полос локализации деформации.
Научная и практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что получены экспериментальные данные о закономерностях эволюции микроструктуры в процессе пластического течения сплавов циркония, заключающихся в развитии ротационной неустойчивости, которая определяет немонотонное деформационное поведение материалов, проявляющейся во взаимосогласованном периодическом изменении пространственно-временной
картины распределения локальных деформаций, приводящем к формированию шейки.
Полученные в работе данные о возможных путях эволюции дефектной структуры, определяемых структурно-фазовым состоянием сплавов, могут быть использованы для прогноза деформационного поведения сплавов циркония при выборе режимов деформационно-термической обработки в процессе производства оболочечных и канальных труб для ядерных реакторов, а также для рекомендации по оптимизации состава циркониевых сплавов с целью обеспечения их высоких технологических и эксплуатационных свойств.
Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием апробированных методов исследования, анализом литературных данных, соответствием полученных данных с данными других авторов.
Вклад автора заключается в литературном поиске и написании критического обзора по теме диссертации, обосновании выбора необходимых методик, личном участии в электронномикроскопическом анализе образцов, обработке экспериментальных данных, а также в обсуждении результатов и формулировке выводов исследований.
На защиту выносятся:
-
Данные о типах дислокационных субструктур, обнаруженных в технических ГПУ - сплавах, и их эволюции в процессе пластического течения.
-
Экспериментально обнаруженное формирование полос локализации деформации в сплавах циркония с эффективным твердорастворным упрочнением кислородом.
-
Взаимосвязь эволюции дислокационных субструктур со стадийностью деформационных кривых ГПУ - сплавов циркония, заключающаяся в том, что параболические подстадии си <0.5, для которых характерно немонотонное деформационное поведение материала, связаны с интенсивным развитием дислокационно-дисклинационных субструктур.
-
Данные о количественных характеристиках дислокационной структуры, закономерностях их изменения при пластической деформации и взаимосвязи с показателем параболичности деформационных кривых ГПУ - сплавов циркония.
Апробация работы.
Международная конференция «Физическая мезомеханика, компьютерное конструирование и разработка новых материалов» (MESO'MECH 2004) (2004г., Томск); 10 Всероссийская научная конференция студентов физиков и молодых ученых (2004 г., Москва); 44 Международная конференция «Актуальные проблемы прочности» (2005г., Вологда); 8 Международная школа - семинар «Эволюция дефектных структур в конденсированных средах» (2005г., Барнаул); третья Российская научно- техническая конференция "Физические свойства металлов и сплавов" (2005г., Екатеринбург); III Евразийская научно-практическая конференция «Прочность неоднородных структур» (2006 г., Москва); XVI Международная конференция «Физика прочности и
пластичности материалов» (2006 г., Самара); XII Международная научно-практическая конференция студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (2006 г., Томск);_14 International Conference on the Strength of Materials (ICSMA 14) (2006, Xi'an, China); Международная конференция «Физическая мезомеханика, компьютерное конструирование и разработка новых материалов» (MESOMECH'2006) (2006 г., Томск); Всероссийская научная конференция молодых ученых и специалистов «Материалы ядерной техники: от фундаментальных исследований к инновационным решениям» (МАЯТ-ОФИЭ 2006) (2006 г., Агой, Краснодарский край); Международная школа-семинар «Многоуровневые подходы в физической мезомехапике. Фундаментальные основы и инженерные приложения» (2008 г. Томск).
Публикации. По материалам диссертации автором опубликовано 20 работ, в том числе 6 статей.
Структура н объем диссертации. Диссертационная работа общим объемом 218 страниц состоит из Введения, 4 разделов, Выводов и Списка цитируемой литературы. Работа иллюстрирована 73 рисунками, содержит 8 таблиц, библиографический раздел включает 205 наименований.
