Курсовая работа: Ползучесть неравномерно нагретого по радиусу сплошного цилиндра в условиях облучения
Подготовил: Никончук В.В.
ст. гр.103914
Преподаватель: Куликов И.С.
МИНСК 2008
Введение
В последние десятилетия все более пристальное внимание исследователей привлекает к себе структура реальных кристаллов, и особенно те их структурные нарушения, которые принято называть дефектами. Их появление в идеальном кристалле связано с процессами роста кристаллов, различными внешними воздействиями на кристалл (механическая обработка, закалка, облучение и т. д.). Сам термин "дефект" предполагает отклонение от идеальности, периодичности расположения атомов в той или иной области кристалла. Размер этой области колеблется в широких пределах. Так, под точечными дефектами подразумеваются искажения, охватывающие несколько атомов (вакансии, примеси и др.). Предполагается, что линейные дефекты (дислокации, дисклинации) охватывают атомные ряды, планарные дефекты заполняют целые атомные плоскости и т.д. Это разделение условно, но оно подчеркивает количественное и качественное различия дефектных образований.
Радиационные дефекты можно выделить из этого множества дефектов, если попытаться произвести классификацию дефектов по способам их образования. Они составляют разнообразный и интересный класс дефектных формирований. Некоторые радиационные образования (например, суперрешетки вакансионных пор) не удается пока получить никакими другими известными методами.
Высокие концентрации радиационных дефектов отмечаются в материалах атомных реакторов, космических аппаратов, то есть там, где материалы соприкасаются с интенсивными потоками облучения. Как следствие появления большого количества радиационных дефектов материалы заметным образом меняют свои физические свойства: электропроводность, прочность, объемные размеры и даже элементный состав из-за появления в них трансмутантов (изотопов новых элементов). Причем эти изменения носят не совсем обычный характер. Ранее ничего подобного не встречалось в обширной человеческой практике работ с различными материалами. Так были обнаружены абсолютно новые явления, происходящие с облученными металлами и сплавами: радиационное охрупчивание, ускоренная диффузия, радиационно-индуцированные фазово-структурные превращения и др.
Разнообразие радиационных дефектов
Высокоэнергетические частицы облучения, попадая в вещество и вступая в упругие и неупругие взаимодействия с его ядрами, вызывают смещения атомов кристаллической решетки со своих мест. При низких энергиях бомбардирующих частиц такие смещения приводят к образованию единичных вакансий (пустой узел кристаллической решетки) и единичных межузельных атомов. Такие пары, предсказанные Я.И. Френкелем, образуются, когда бомбардирующая частица сообщает атому в узле кристаллической решетки энергию выше некоторой пороговой. При энергиях, в несколько раз превышающих пороговую энергию смещения, процесс уже идет в виде каскада смещений. На месте прохождения такого каскада образуются как единичные вакансии (v) и межузельные атомы (i), так и их комплексы (кластеры: nv и ni). Далее в процессе установления термического равновесия между разогретой послекаскад-ной областью и остальным кристаллом эти дефекты претерпевают диффузионным путем различные структурные перестройки. Причем часть из них гибнет в процессе аннигиляции пар Френкеля, когда встречаются вакансия и межузельный атом. Другая часть меняет свои размеры и формы, свое месторасположение. Причем межузельные кластеры (ni) в процессе роста переходят в так называемые дислокационные петли межузельного типа, которые представляют собой фрагменты (зародыши) новых кристаллографических плоскостей. Вакансионные кластеры (nv) в процессе своего роста могут развиваться в двух направлениях в зависимости от температуры кристалла, типа кристаллической структуры и других факторов. В первом случае, как и межузельные кластеры, nv образуют дислокационные петли вакансионного типа, которые представляют собой как бы дырки в кристаллографических плоскостях (рис. 1). Второй путь эволюции вакансионных кластеров – это образование вакансионных пор, которые при малых размерах имеют огранку, соответствующую типу материнского кристалла, а при больших представляют собой округлые полости (рис. 2).
Помимо собственных дефектов за счет ядерных реакций бомбардирующих частиц с атомами кристалла образуются различного вида трансмутанты, которые в виде примесей распределяются в матрице материала. Это инертные газы гелий, криптон, ксенон и др. Но помимо газовых примесей в теле облучаемого материала образуются и другие инородные элементы. Такие примесные нарушения могут оставаться в узле кристаллической решетки (примесь замещения) или выходить в межузельное пространство (примесь внедрения).
Мигрируя по кристаллу в процессе диффузионного движения, примесные нарушения (особенно высокоподвижные инертные газы) активно взаимодействуют с собственными дефектами, образуя так называемые смешанные дефектные кластеры. Примесные дефекты активно осаждаются на границах зерен поликристаллов, дислокациях и других более крупных дефектах, образуя скопления, которые постепенно могут переходить в выделения так называемой второй фазы.
Газовые примеси могут собираться в пузырьки, взаимодействуя с вакансионными порами.
В сложных многокомпонентных материалах отмечен еще один вид дефектообразования – замещение. Такой тип дефектов возникает за счет смены атомов местами в процессе атом-атомных соударений в каскадах смещений, о которых речь шла выше. Появление большого количества замещений, например, в упорядоченном сверхпроводящем сплаве типа Nb3 Sn приводит к разупорядочению сплава, изменению его физических свойств, и в частности к потере сверхпроводящих свойств.
Явление радиационного распухания металлов
Одним из интересных эффектов, связанных с тем, что облучаемые металлы и сплавы пересыщены точечными дефектами, является зарождение и развитие объемных скоплений вакансий в виде вакансионных пор. Ясно, что образование таких полостей в теле кристалла должно приводить к общему увеличению его объема, то есть к распуханию. Впервые вакансионное распухание металлов, связанное с порами размером около 10 нм, экспериментально было обнаружено в 1967 году [1]. Причем, как оказалось, распухание, например сталей, может достигать 6% и более.
К самым нежелательным последствиям распухания следует отнести деформацию, изгибы и увеличение размеров различных конструкций, что может приводить к самосвариванию отдельных деталей, заклиниваниям, перегревам внутри работающих установок.
Экспериментальные исследования радиационного распухания металлов позволили выявить основные закономерности этого явления: зависимость от температуры, интенсивности и потоков облучения, механических напряжений, а также от состояния материала (предварительной обработки, легирования и т.д.). Подавляющее большинство исследований были проведены на используемых в современных атомных реакторах сложных по составу сталях и сплавах. Иногда эксперименты проводят на чистых металлах, поскольку они представляются чрезвычайно важными для создания реалистичных теоретических моделей распухания.
Так, было установлено, что распухание в значительной мере зависит от температуры, при которой происходит облучение того или иного металлического образца (рис. 3). Типичная кривая температурной зависимости распухания имеет колоколообразный вид. Начиная с 0,25Тпл (Тпл – температура плавления) распухание растет с повышением температуры, достигая максимума при (0,4–0,45)Тпл , а затем с дальнейшим ростом температуры начинает уменьшаться, полностью исчезая при 0,55Тпл .
Однако такая зависимость неуниверсальна. При больших потоках облучения в некоторых металлах и сплавах проявляется второй максимум распухания в области более высоких температур, причем чаще всего распухание во втором максимуме больше, чем в первом (см. рис. 3).
Оказалось, что уровень распухания в значительной степени зависит от наличия механических напряжений в процессе облучения, а, как известно, конструкционные узлы энергетических установок всегда находятся под воздействием различных механических напряжений. В области значений напряжения от нуля до предела текучести материала наблюдается практически линейное возрастание распухания. Таким образом, образцы, находящиеся под напряжением, распухают быстрее, чем ненапряженные образцы.
Было также установлено, что степень распухания материала при тех или иных условиях облучения в значительной степени зависит от его структуры и химического состава.
На основе информации, полученной при экспериментальных исследованиях распухания металлов и их сплавов, была разработана теория этого явления [2]. Кратко она заключается в том, что дислокации (линейные дефекты), всегда имеющиеся в облучаемых материалах в достаточно большом количестве, взаимодействуют с образующимися в процессе облучения (образование пар Френкеля) межузельными атомами несколько сильнее, чем с вакансиями. Происходит преимущественное поглощение межузельных атомов (преферанс). Поток межузельных атомов на дислокации начинает несколько превосходить поток вакансий. В результате захвата точечных дефектов дислокации начинают переползать, а дислокационные петли, о которых речь шла выше, изменяют свои размеры. В итоге на долю вакансионных пор, являющихся в основном нейтральными стоками, приходится больший поток вакансий, чем межузельных атомов. И если нет каких-либо сдерживающих факторов для зарождения и роста пор, то облучаемый материал распухает.
По мере увеличения объема наших знаний о распухании металлов были выработаны и определенные приемы подавления этого нежелательного для практики явления. Первый способ – это изменение содержания основных компонентов в сплавах; второй – легирование сплавов, в частности конструкционных сталей, малыми количествами таких элементов, как Si, Ni, Ti, Zn, Mo, и уменьшение количества некоторых примесей, особенно газовых (He, O, N и H), и, наконец, третий способ – изменение начальной микроструктуры материала, а именно: его пластическая деформация, измельчение размера зерен в поликристаллах и создание в структуре устойчивых выделений вторых фаз.
Радиационное упрочнение и охрупчивание
Образующиеся в процессе облучения радиационные дефекты вызывают существенное изменение характеристик прочности материала (напряжение сдвига, пределы текучести и прочности, твердость). В виде примера на рис. 4 представлены кривые напряжение–деформация для облученных и необлученных железа и никеля [2], которые заметно различаются. На диаграмме растяжения облученного никеля (рис. 4, б) появляется так называемая площадка текучести. У железа в результате облучения площадка текучести как бы сглаживается и предел текучести по своей величине приближается к разрушающему напряжению. Пределы текучести никеля и железа увеличиваются с ростом дозы облучения. Именно этот эффект роста предела текучести под облучением принято называть радиационным упрочнением.
Относительно природы явления радиационного упрочнения к настоящему времени более или менее утвердились два объяснения, в одном из которых упрочнение связывается с тем, что создаваемые при облучении радиационные дефекты являются дополнительными центрами закрепления дислокаций и снижают эффективность действия источников дислокаций, а в другом – с образованием в кристаллической решетке дефектов–барьеров, препятствующих движению дислокаций в своих плоскостях скольжения.
--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--