Нейтронное облучение является одним из существенных факторов при оценке работоспособности материалов активной зоны, корпусов и внутриреакторных устройств высокотемпературных натриевых аппаратов. В настоящее время различают три основных вида радиационных повреждений: радиационное низкотемпературное упрочнение, сопровождающееся снижением пластичности (НТРО), высокотемпературное радиационное охрупчивание (ВТРО) и распухание.
Степень снижения пластичности хромоникелевых сталей при низкотемпературном радиационном охрупчивании определяется флюенсом нейтронов, температурой облучения и температурой механических испытаний сталей (рис. 4.23). С увеличением флюенса нейтронов, которым облучается сталь, степень охрупчивания возрастает. Наименьшие значения пластичности стали обнаружены при температуре облучения и испытания на растяжение около 300 °С. Однако и в этом случае хромоникелевые аустенитные стали после облучения флюенсом 1023 нейтр/см2 имеют равномерное удлинение 0,1—0.5%.
Для некоторых материалов, в частности для стали марки ОХ16Н15МЗБ, после получения таким флюенсом нейтронов обнаружено насыщение эффекnf низкотемпературного охрупчивания. При больших флюенсах моuen наблюдаться явления деструкции материала, сопровождающиеся одновременным снижением прочности и пластичности (вплоть до величин, близких к нулю).
При температуре облучения и испытания 400—500 °С низкотемпературное охрупчивание практически отсутствует, подавляясь процессами восстановления свойств облученных материалов вследствие рекомбинации радиационных дефектов.
Результаты, аналогичные изложенным выше, установлены и для других хромоникелевых аустенитных сталей, легированных титаном, молибденом и ниобием. Меньшую склонность к низкотемпературному радиационному охрупчиванию имеют стали и сплавы, содержащие повышенное количество никеля [56]. Исследования материалов после облучения флюенсами 7,7·1020 и 5,5 · 1021 нейтр/см2 показало, что но мере увеличения содержания никеля от 10 до 45% наблюдается монотонный рост равномерного и полного удлинения (рис. 4.24). Определенное влияние на низкотемпературное радиационное охрупчивание оказывает размер зерна. Сталь Х15Н15М2Б и сплав Х20Н45М4Б в крупнозернистом состоянии (1—3 балла) охрупчивались м меньшей степени, чем в мелкозернистом (7—8 баллов) состоянии.
Высокотемпературное радиационное охрупчивание материалов проявляется в значительном снижении их пластичности при испытании в области температуры выше 0,5Тпл после или в процессе нейтронного облучения. При этом упрочнение, вызванное облучением, незначительно или отсутствует. Для некоторых материалов одновременно наблюдается снижение прочности, особенно существенное при длительных испытаниях. Степень охрупчивания при кратковременном разрыве может изменяться в широком диапазоне в зависимости от состава стали и сплава, флюенса нейтронов и температуры.
При флюенсах до 1022 нейтр/см простые хромоникелевые стали сохраняют определенный запас пластичности. Флюенсы, превышающие 1022 нейтр/см, способны привести к снижению характеристик пластичности при кратковременном разрыве хромоникелевых аустенитных сталей до нескольких процентов или даже десятых процента (табл. 4.8). Наиболее чувствительные к этому виду повреждения дисперсионно- твердеющие высоконикелевые стали при определенном флюенсе могут разрушаться совершенно хрупко (ХН77ТЮР).
Облучение холоднодеформированной стали нейтронами снижает ее прочность и увеличивает пластичность. Особенно сильное разупрочнение наблюдается при наклепе 50%. Во всех случаях пластичность после облучения была выше, чем в исходном состоянии. Термомеханическая обработка, состоящая из наклепа со стабилизацией при температуре 800 °С в течение 1 ч, и последующее облучение флюенсом 1022 нейтр/см2 приводят к малой зависимости прочности и пластичности от предшествующего состояния материала.
Таблица 4.8. Влияние облучения нейтронами (Ф — (3,3ч-3,5)·1022 нейтр см2 на механические свойства сталей 304 и 316 при разрыве [256]
Характеристиками, подверженными наиболее сильным изменениям в области высокотемпературного радиационного охрупчивания, являются длительная прочность и пластичность материалов. Например, для сплава ХН77ТЮР наблюдалось снижение длительной прочности в 7—8 раз при температуре испытания 800 °С (рис. 4.25; 4.26).
Хромоникелевые стали простых составов при обычной для них температуре эксплуатации и флюенсах нейтронов существенно более устойчивы к высокотемпературному радиационному охрупчиванию (рис. 4.25; 4.27). Вместе с тем и для них время до разрушения при длительном нагружении при флюенсе 3·1022 нейтр/см2 (R > 0,016 пДж) может снижаться до 100 раз.
Отличительной чертой ВТРО является высокая термическая стабильность дефектов. В отличие от НТРО механические свойства облученных материалов не восстанавливаются после термической обработки даже при температуре 1050—1150°С.
Другой отличительной чертой ВТРО является чувствительность к спектру потока нейтронов. Значительное влияние на механические свойства оказывают нейтроны низких энергий. Неоднократные опыты с использованием кадмиевых экранов, поглощающих тепловые нейтроны, подтверждают этот факт. При испытании хромоникелевых сталей Х20Н25Б и ОХ17Н12М2 (316) ВТРО, вызванное флюенсом тепловых нейтронов 2,2•1019 нейтр/см2, полностью исчезало при испытании образцов в кадмиевой ампуле.
Наряду со спектром потока нейтронов решающее влияние на ВТРО оказывает флюенс нейтронов. При флюенсах до 1010 нейтр/см2 охрупчивание, хотя и имеет место, не приводит к снижению относительного удлинения сталей типа 18-8 ниже 30% при температуре 700 и 840 °С. При флюенсе нейтронов 1022—1023 нейтр/см2 сильно снижаются характеристики прочности и пластичности, в том числе и при длительном нагружении.
Рис. 4.27. Влияние облучения на длительную прочность стали 304: температура испытания 5380С
В первом приближении снижение пластичности облученных материалов линейно зависит от логарифма флюенса нейтронов.
Особенностью ползучести сталей после облучения или в период облучения является снижение температуры, при которой заметно проявляются эти процессы по сравнению с термической ползучестью. Так, для облученных материалов заметная ползучесть стали 316 наблюдается уже при температуре 280 °С. Существенное влияние облучения на ползучесть проявляется при температуре, меньшей (1/4-1/3)Тпл. Для нержавеющих сталей эта область ниже 550 °С, хотя радиационная ползучесть для сталей 40Х16Н13М2В3Б3 и 10Х16Н16М2Б наблюдалась и при температуре 610 °С.
В отличие от термической ползучести сталей радиационная ползучесть слабо зависит от температуры.
Зависимость радиационной ползучести от напряжений и дозы облучения выражается [631] линейным уравнением
(4.34) где А — модуль радиационной ползучести, (Па·смещ./ат.)-1; а — напряжение, Па; Ф — доза облучения, смещ./ат.*; Т — температура облучения, °С. В свою очередь модуль радиационной ползучести линейно зависит от дозы облучения и сложным образом от температуры. Установлено, что модуль радиационной ползучести зависит также от химического состава материала. Для аустенитных сталей типа 316 он составляет (14-3)·10-12 (Па смещ./ат.)-1, а для хромистых сталей ферритно-мартенситного класса ~0,2 ·10-12 (Па смещ./ат.)-1.
* При энергии Е > 0,016 пДж флюенс 2 · 1023 нейтр/см9 соответствует 102,6 смещ./ат.
Облучение потоком нейтронов может влиять на циклическую прочность материалов. Наиболее представительные данные по влиянию флюенсов нейтронов свыше 1021 нейтр/см2 приведены в работе [168]. Испытания на малоцикловую усталость при деформации 1 % и температуре 500—600 °С после облучения флюенсом нейтронов до 6,2 X1021 нейтр/см2 (Е > 0,016 пДж) проведено на сталях марок 0Х19Н9, 00Х19Н9 и 0Х17Н12М2 (304, 304l, 316). Снижение числа циклов для разрушения (до 7 раз) по сравнению с необлученным состоянием возрастало по мере увеличения длительности выдержки в цикле.
В настоящее время наиболее часто для объяснения ВТРО пользуются гелиевой гипотезой. Она получила и наиболее широкое экспериментальное обоснование. Радиационное охрупчивание по этогипотезе связывается с выделением гелия в результате ядерной реакции 10В (n, α)7Li. Выделение гелия, как правило, носит гетерогенный характер. Он может выделяться вблизи границ зерен с образованием газовых полостей, приводящих к заметному снижению пластичности. Высказаны предположения о возможном охрупчивании вследствие нарушения равнопрочности тела зерен и его границ. При этом допускается упрочнение тела зерна мелкодисперсными выделениями гелия и ослабление границ при локализации выделений вблизи них.
Рис. 4.28. Зависимость склонности к ВТРО сплавов системы Fe—Cr—Ni от характера легирования
Другое объяснение связывает ВТРО с радиационным старением материалов. Предполагается, что под воздействием излучения ускоряются процессы распада твердого раствора с выделением избыточных фаз. Изменение высокотемпературной пластичности вследствие старения может быть связано с изменением соотношения свойств границ зерен и матрицы.
Высокотемпературное радиационное охрупчивание в значительной степени зависит от состава материала. Схематически эта зависимость представлена в работе [44] диаграммой склонности к ВТРО в зависимости от химического состава сталей и сплавов (рис. 4.28); ВТРО увеличивается слева направо и сверху вниз. Стали и сплавы с повышенным содержанием никеля подвергаются, как правило, большему охрупчиванию. При этом снижается температура начала интенсивного охрупчивания. Достаточно наглядно это следует из температурных зависимостей относительного удлинения железа, стали Х20Н15 и никеля в исходном и облученном состоянии (рис. 4.29) [107].
Наиболее интенсивно подвергаются радиационному охрупчиванию высоколегированные дисперсионно-упрочненные сплавы на никелевой основе.
ВТРО может быть уменьшено легированием хромоникелевых аустенитных сталей молибденом. Однако эффективность действия молибдена уменьшается с увеличением флюенса нейтронов. Положительное влияние могут также иметь небольшие добавки сильных карбидообразующих элементов Ti, Nb и др. В ряде работ приводились экспериментальные данные, показавшие наибольшее сохранение характеристик пластичности после облучения у хромоникелевых сталей различных составов при содержании этих элементов в количестве 0,1—0,2%. ВТРО чувствительно к содержанию в стали примесей. Повышение чистоты исходных шихтовых материалов, а также чистоты с применением улучшенных способов выплавки уменьшает радиационное охрупчивание.
