Механические свойства сплавов на основе железа после облучения в гелий-водородной плазме

В.М. Миронов

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА ПОСЛЕ ОБЛУЧЕНИЯ В ГЕЛИЙ-ВОДОРОДНОЙ ПЛАЗМЕ

Рассматриваются результаты экспериментальных исследований влияния тлеющего разряда в смеси гелия и водорода на комплекс механических свойств малоуглеродистых и легированных високо-хромистых сталей. Показано, что облучение гелиевоводородной плазмой тлеющего разряда оказывает существенное воздействие на физико - механические свойства исследованных сталей. Наибольшую устойчивость при этом проявляют сталь 08кп и экспериментальный сплав 15%Сг-3%А1.

Основные повреждения металлов, подвергнутых воздействию плазмы тлеющего разряда, сосредоточены в тонком поверхностном слое [1-3], однако оказывают заметное влияние на объемные, в том числе и физико-механические свойства материала.

В настоящей работе исследовано влияние тлеющего разряда в смеси гелия и водорода на комплекс механических свойств малоуглеродистых и легированных высокохромистых сталей. Обработку сплавов в тлеющем разряде производили по методике, описанной в [4]. Оказалось, что изменения их свойств происходят различным образом и имеют ряд интересных особенностей . В первую очередь это относится к отсутствию зуба текучести на кривых растяжения об -разцов сплава Бе - 0,06 % С вплоть до температуры испытаний 123 К. По-разному ведут себя и температурные зависимости характеристик пластичности и прочности, полученные в интервале от комнатной температуры до температуры жидкого азота, что иллюстрируется рис. 1 и таблицей. Так, для сплава Бе - 0,06 % С при комнатной температуре обнаруживается резкое (на ~ 50 %) по сравнению с 77 К уменьшение предела текучести С0 2 и увеличение относительного

23 2 24 2

сужения шейки (~ 10 %) как для дозы облучения 1.10 ион/м , так и для дозы 1.10 ион/м . Предел прочности снижается на 20 - 30 %. При понижении температуры испытаний все характеристики постепенно приближаются к значениям, соответствующим исходному состоянию сплава (см. рис. 1), т.е. имеют более резкую тем -пературную зависимость. Тем не менее наблюдается некоторая тенденция к смещению (до 10 К) тем -пературы хрупковязкого перехода в сторону низких температур. При Р и с. 1. Температурные зависимости характеристик прочности и пла- Т = 77 К эффект пласти-

стичности облученных сплавов при различных дозах: фикации не пропадает

Бе - 0,06% С пр^ 0 (1), 1.1023 (2), 1.1024 (3) (а) и Бе - 0,21 % С при 0 (1), 5.1023 полностью, о чем свиде-

(2), Ы° ион/м (3) (б) тельствует величина от-

носительного сужения

шейки у = 5 - 7 % и квазихрупкий характер фрактограмм разрушения (рис. 2). В то же время

для сплава Бе - 0,21 % С облучение до дозы 1.1023 ион/м2 не вызывает никаких изменений. За -

тем с увеличением дозы условный предел текучести С0 2 растет на 50 - 55 %, а предел прочности Св - на 20 % при дозе Ф = 5.1023 ион/м2 и на 33 % - при Ф = 1.1024 ион/м2. При снижении температуры испытаний до 190 К предел текучести облученного до дозы 5.1023 ион/м2 сплава становится ниже, а отно-118

Р и с. 2. Поверхность разрушения при растяжении (Т = 77 К) исходного (а) и облученного до дозы Ф =1.1024 ион/м2 (б) сплава Бе - 0,06 % С, х 450

а б

сительное сужение шейки у выше, чем их значение для исходного состояния. Аналогичное

явление имеет место при Т = 100 К для дозы 1.1024 ион/м2. При этой же температуре предел прочности облученного до большей дозы сплава становится меньше исходного значения предела прочности.

Изменение свойств облученных сплавов железа с ростом флюэнса

Состав сплава Ф, ион/ мм2 Ду, % ДО0,2 . % До в,% ДИ т, % ДУ/У, %

0,06 % С 1.1023 + 8,0 - 50 - 20 + 22 0,36

1.1024 + 10,0 - 56 - 30 +29 0,49

0,21 % С 1.1023 н.и. н.и. н.и. - 0,32

5.1023 - 9,0 + 50 + 20 - 0,37

1.1024 - 12,0 + 55 + 33 - 0,43

15 % Сг - 3% А1 1.1023 н.и. + 17 + 21 0,10

1.1024 + 10 + 58 +85 0,18

27 % Сг 3 % А1 1 % Л 1.1023 н.и. + 20 + 14 0,12

1.1024 + 12 + 57 + 67 0,17

45 % Сг - 3 % А1 1.1023 + 10 + 26 + 11 0,13

1.1024 + 31 + 54 + 30 0,16

* н.и. - нет изменений

Рассмотрим поведение механических свойств высокохромистых сплавов железа (Бе-Сг-А1) в широких интервалах доз облучения низкоэнергетической гелий-водородной плазмой от 5.1021 до 1.1024 ион/м2 и температур послерадиационного отжига от 573 до 973 К. До-зовая зависимость температуры хладноломкости исследованных сплавов приведена на рис. 3. Она заметно повышается на 750 для сплава Бе - 15 % Сг - 3 % А1 и на 950 - для сплава Бе - 27 % Сг - 3 % А1 - 1 % Л при дозе Ф = 5.1023 ион/м2 и достигает величины 265 и 305 К соответственно при максимальной дозе облучения. Для сплава Бе - 45 % Сг - 3 % А1 температура хладноломкости резко повышается на 1100 уже при минимальной дозе Ф = 5.1021 ион/м2, а при достижении наибольшей дозы Ф = 1.1024 ион/м2 значительно превышает комнатную температуру (ТХ = 405 К).

Предел текучести О 0 2 остается практически неизменным и только при максимальной дозе

облучения Ф = 1.1024 ион/м2 немного возрастает (на 10 - 12 %). В то же время у сплава с большим содержанием хрома Бе - 45 % Сг - 3 % А1 помимо столь же незначительного повышения предела текучести при дозе 5.1023 ион/м2 при наибольшем значении Ф наблюдается заметное увеличение О02 на 30 % (рис. 4). Ощутимый рост предела прочности Ов, твердости Иу и

микротвердости И для всех сплавов начинается преимущественно при достижении величины

дозы 1.1023 ион/м2 (рис. 4 и 5).

Таким образом, облучение гелиевоводородной плазмой тлеющего разряда оказывает существенное влияние на комплекс механических свойств исследованных сталей. Наибольшую устойчивость к такому воздействию проявили сталь 08кп и экспериментальный сплав 15%Сг-3%А1.

Р и с. 3. Зависимость температуры хладноломкости сплавов системы Бе-Сг-А1 от дозы облучения:

Бе-15%Сг-3%А1 (7), Бе-27%Сг-3 %А1-

1%И

Р и с. 4. Зависимость предела текучести О0 2 (а) и предела прочности Ов (б) сплавов системы

Бе-Сг-А1 от дозы облучения:

1 - Бе - 15 % Сг - 3 % А1, 2 - Бе - 27 % Сг - 3 % А1 - 1 % И, 3 - Бе - 45 % Сг - 3 % А1

1 «* фу

Ну, № 2,3

и

$

ИШ ч 2- 573 К 3-775 К И73К

Г

а

И95К

2-573«

3-773 К ^-973 К-

и и I I___________1_|________1_|_

)» в- 0% ..

б ’

Р и с. 5. Зависимость микротвердости И (а) и твердости Иу (б) от дозы: а - Бе-27%Сг-3%А1- 1%Тц б - Бе-45%Сг-3%А1

1. Лариков Л.Н., Рясный А.В. Воздействие одновременной имитации гелия и водорода на структуру и свойства алюминия // Письма в ЖТФ. 26 мая 1986. 12. Вып. 10. С.591 - 593.

2. Гуревич М.Е., Лариков Л.Н., Рясный А.В. Структурные изменения поверхности алюминия, облученного низкоэнергетическими ионами гелия и водорода // ВАНТ. Сер. ФРП и РМ. 1988. 3(45). С. 30 - 33.

3. Герцржен Д.С., Тишкевич В.М. Мтгращя атом1в криптону в металлах з р1зним типом кристал1чно1 гратки // Докл. НАНУ. 1995. № 8. С. 78 - 80.

4. Гуревич М.Е., Журавлев А.Ф., Лариков Л.Н., Рясный А.В. Кинетический и диффузионный этапы проникновения гелия в металлы из низкотемпературной Не - Н газоразрядной плазмы // ВАНТ. Сер. ФРП и РМ. 1988. Вып. 4 (46).

С. 53-56.

Поступила 6.05.2003 г.