Главная страница

Метод изучения локализации деформации в металлических материалах, облученных до высоких повреждающих доз


Скачать 157.42 Kb.
НазваниеМетод изучения локализации деформации в металлических материалах, облученных до высоких повреждающих доз
Дата08.02.2016
Размер157.42 Kb.
ТипСтатья

52 «Заводская лаборатория. Диагностика материалов» № 11. 2006. Том 72


УДК 620.172.2: 621.039.573



МЕТОД ИЗУЧЕНИЯ ЛОКАЛИЗАЦИИ ДЕФОРМАЦИИ
В МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛАХ, ОБЛУЧЕННЫХ ДО ВЫСОКИХ ПОВРЕЖДАЮЩИХ ДОЗ
© О. П. Максимкин, М. Н. Гусев, И. С. Осипов1
Статья поступила 23 января 2006 г.
Описан метод “цифровой маркерной экстензометрии”, позволяющий определять параметры пластичности и истинные напряжения в экспериментах с миниатюрными высоко-радиоактивными образцами. Возможности метода продемонстрированы на примере нержавеющей стали 08Х16Н11М3, облученной нейтронами до флюенса 5·1022 н/см2 в быстром реакторе БН-350. Определены особенности пластической деформации данной стали, установлен характер взаимосвязи между истинными напряжениями и деформациями.



В практике механических испытаний для контроля изменений, протекающих в деформируемом образце,


  1. Институт ядерной физики НЯЦ РК, г. Алматы, Казахстан.


в частности для изучения взаимосвязи между истинными напряжениями и деформациями, приме-няют оптическую и электронную экстензометрию [1, 2], метод делительных сеток [3], спекл-интер-ферометрию [4] и другие экспериментальные методы.


«Заводская лаборатория. Диагностика материалов» № 11. 2006. Том 72

53





Однако при изучении облученных радиоактивных материалов многие из этих методов не могут быть использованы. Так, в случае исследования миниа-тюрного облученного образца [1] использование классического “метода сеток” [3] невозможно из-за требований безопасности работы с радиоактивными материалами. Специальные методики экстензометрии, например спекл-интерферометрия [4], как правило, не позволяют работать с миниатюрными (<10 мм) образцами, а разнообразные контактные экстензо-метры и методы измерения в “проходящем свете” [2] оказываются малопригодными либо сложными.
Между тем пластическое течение облученных металлических материалов имеет целый ряд отли-чительных особенностей. Так, в результате облучения практически исчезает способность материала деформироваться при растяжении равномерно, без образования макроскопической шейки. Нередко значительная часть высокооблученной пробы оказывается вообще не деформированной, тогда как локальные деформации в шейке могут быть очень велики. В этом случае регистрируемая в эксперименте кривая нагрузка — удлинение, называемая инже-нерной кривой, становится непригодной для изучения кинетики деформационных процессов, в частности для определения характера взаимосвязи между истинными величинами напряжений и деформаций.
В данной работе описан метод цифровой маркерной экстензометрии, позволяющий иссле-довать высокорадиоактивные материалы при проведении механических испытаний.
Исследовали аустенитную нержавеющую сталь
08Х16Н11М3 (0,08 С, 15,2 Cr, 11,2 Ni, 1,95 % вес. Mo), широко используемую как конструкционный материал, в частности для чехлов тепловыделяющих сборок (ТВС) реакторов на быстрых нейтронах. Несмотря на значительное количество публикаций (например, [5, 6]), посвященных изучению структуры и свойств этого материала, механизмы и кинетика локализации деформации в нем после облучения до высоких повреждающих доз практически не исследованы.
Плоские образцы с размерами рабочей части 10  2  0,3 мм вырезали из чехла отработанной ТВС реактора БН-350 (миниатюрные размеры образцов объясняются высокой наведенной радиоактивностью облученного материала). Испытания на одноосное растяжение проводили на установке “Инстрон-1195” при комнатной температуре, скорость деформирования составляла 8,3·10–4 с–1. Для крепления образцов использовали пневматические захваты.
Кинетику негомогенной деформации высоко-облученных миниатюрных образцов исследовали методом цифровой маркерной экстензометрии

Рис. 1. Схема реализации метода цифровой маркерной экстензометрии: F — сила, действующая на образец шириной d и толщиной h; D — размер маркера М в направлении оси растяжения (значения d и h опре-деляются до деформации)



(рис. 1). При этом на полированную поверхность образца наносили маркеры — капли красящего вещества, имеющего хорошую адгезию к поверх-ности металла. В процессе деформации образца регистрировали формоизменение и взаимное пере-мещение маркеров с помощью цифровой фотокамеры высокого разрешения (2048  1536 пикселов, разрешение до 10 микрон/пиксель).
По мере применения метода маркерной экстензо-метрии, функционально близкого к “методу сеток” [3], образец покрывается измерительной сеткой с шагом 1 – 1,5 мм. Это позволяет для произвольного участка образца исходя из последовательности фотоснимков рассчитать значения локальной деформации и действующего напряжения с погреш-ностью не более 5 и 10 % соответственно. Для этого при обработке последовательности цифровых изображений деформируемого образца c приме-нением специально разработанных алгоритмов вычисляется расстояние между центрами маркеров L (см. рис. 1). Деформация того или иного выбранного локального участка для i-го изображения определяется как ε i = ln(L0/Li), где L0 — исходное расстояние между маркерами, определенное из первого изображения, сделанного до деформации; Li текущее расстояние, рассчитанное из i-го изображения. Действующее напряжение σi может быть получено исходя из критерия постоянства объема
V (V = S0L0 = SiLi = const, где S = hd):

σi






Fi




,

(1)




S0




L0


































L






















i













где Fi — сила, действующая в i-тый момент времени, определяемая из инженерной диаграммы; S0 — начальное сечение. При этом для тонкого плоского


54 «Заводская лаборатория. Диагностика материалов» № 11. 2006. Том 72




σ, МПа










3













1500














































1200

3




2
















900










1













600
















4































300

























0

0

10

20

30

40

50

ε , %













Рис. 2. Инженерные кривые растяжения стали




08Х16Н11М3: 1 — после облучения до повреждающей




дозы 1,1·1022 н/см2 при 280 °С; 2 — 5,0·1022 н/см2 при




300 °С; 3 — 5,2·1022 н/см2 при 354 °С; 3′ — “истинная”




кривая пластического течения, соответствующая




инженерной кривой 3; 4 — необлученная сталь после




аустенитизации при 1050 °С, 30 мин (кривые смещены




по оси ε для наглядности)
















σист, МПа










2































1600










3




4

























1200










1










800






















400






















0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2










ист, отн. ед.)0,5













Рис. 3. Истинные кривые деформационного упроч-нения стали 08Х16Н11М3: 14 — то же, что на рис. 2 (для кривых 1 и 2 экспериментальные точки не показаны)
образца в первом приближении можно пренебречь касательными напряжениями. В расчетах может использоваться как величина L, так и размер маркера вдоль оси растяжения D.
С помощью экспериментальных значений истинных напряжений σист и локальных деформаций ε ист можно построить график их распределения по рабочей длине образца для различных моментов деформации вплоть до разрушения либо проследить взаимосвязь между σист и ε ист для произвольного участка образца. Причем экспериментальные зависимости σистист) для облученных материалов в литературе встречаются крайне редко, хотя имеют большое практическое значение, в частности при
моделировании процессов пластической деформации и расчетах с помощью таких программ, как ANSYS.

На рис. 2 показаны типичные инженерные диаг-раммы, полученные при деформации образцов стали 08Х16Н11М3, облученной быстрыми нейтронами до флюенса 5,2·1022 н/см2. Общий вид кривых растяжения близок к приведенным в работе [7] и характеризуется незначительной величиной или отсутствием участка равномерной деформации. Полученные из этих диаграмм механические характеристики (пластичность, пределы текучести, прочности) хорошо согласуются с результатами других исследователей [5, 7, 8] и не будут рас-сматриваться в данной работе. Как следует из рис. 2, величина равномерного удлинения крайне мала (2 – 4 %); практически сразу за пределом текучести образуется макроскопическая шейка и инженерная кривая становится неинформативной. В то же время изучение взаимосвязи между σист и ε ист в разви-вающейся шейке (см. рис. 2, кривые 3 и 3′) может быть более полезным с точки зрения изучения локализации деформации.
На рис. 3 приведены кривые деформационного упрочнения облученной стали 08Х16Н11М3, рассчитанные на основании данных цифровой маркерной экстензометрии.
При сравнении рис. 2 и 3 видно, что переход от условных к реально действующим значениям деформаций и напряжений качественно изменяет ход кривых течения. Так, развитие локальных дефор-маций в шейке сопровождается существенным деформационным упрочнением материала и ростом действующих напряжений вплоть до момента разрушения, несмотря на кажущееся разупрочнение, регистрируемое на инженерной кривой практически сразу за пределом текучести. Согласно работе [9], в данном случае имеет место “квазиохрупчивание”, т. е. подавление равномерной деформации, которое следует отличать от реального охрупчивания [10] — полного подавления способности материала к пластической деформации.
Анализ экспериментально полученных зависи-мостей σистист) для исследованных образцов показал, что они могут быть описаны уравнением


σ

σ

k ε0,5

,

(2)

ист

0

ист








где k — коэффициент деформационного упрочнения; σ0 — величина, близкая к пределу текучести. Из рис. 3 также видно, что облучение стали приводит к росту величины σ0 и некоторому снижению коэффициента деформационного упрочнения k.
Характер взаимосвязи между величинами напряжений и деформаций, описываемый соотно-


«Заводская лаборатория. Диагностика материалов» № 11. 2006. Том 72

55





шением (2), ранее был экспериментально показан для необлученных чистых металлов и ряда ОЦК-сплавов [11, 12]. Для хромоникелевой стали 08Х18Н11М3, облученной до высоких повреждающих доз, это соотношение установлено впервые.
Таким образом, разработан и применен бес-контактный метод цифровой маркерной экстензо-метрии, позволяющий определять параметры пластичности и истинные напряжения в экспери-ментах с миниатюрными высокорадиоактивными образцами. С помощью данного метода экспери-ментально установлен характер взаимосвязи между истинными напряжениями σ и величинами дефор-мации ε для нержавеющей стали 08Х16Н11М3, облученной до высоких повреждающих доз.
ЛИТЕРАТУРА


  1. Бабушкин А.А., Максимкин О.П., Челноков С.Ю. /


Известия АН КазССР. Сер. физ. мат. 1986. № 2.

С. 21 – 22.

  1. Brillaud C., Meylogan T., Salathe P. / Effect of Radiation on Materials: 17th International Symposium, ASTM STP 1270. 1996. P. 1144.



УДК 620.178.15: 678.01


  1. Мигачев Б.А., Волков В.П. / Заводская лаборатория. 1988. Т. 54. № 5. С. 77 – 79.

  2. Горбатенко В.В., Поляков С.Н., Зуев Л.Б. / Заводская лаборатория. 2001. Т. 67. № 7. С. 29 – 31.

  3. Hamilton M.L. / Effects of Radiation on Materials: 19th International Symposium, STP 1366. 2000. P. 1003 – 1017.

  4. Максимкин О.П., Гусев М.Н., Турубарова Л.Г. /

Тезисы докладов 8-й международной конференции “Физика твердого тела”, 23 – 26 августа, 2004, Алматы, Казахстан. С. 293.


  1. Horsten M.G., De Vries M.I. / Effect of radiation on Materials: 17th International Symposium, ASTM STP 1270. 1996. P. 919.




  1. Горынин И.В., Винокуров В.Ф. и др. Радиационное воздействие на материалы термоядерных реакторов: Сб. трудов. — СПб.: ЦНИИ КМ “Прометей”, 1992.


С. 90 – 109.

  1. Малыгин Г.А. / Физика твердого тела. 2005. Т. 47.

Вып. 2. С. 236.

  1. Garner F.A. Materials Science and Technology. V. 10A (Nuclear Materials). Part 1. Chapter 6. — VCH Verlagsgesellschaft mbH. — Weinheim. Federal Republic of Germany. 1994. P. 419 – 543.




  1. Трефилов В.И., Моисеев В.Ф. Деформационное упрочнение и разрушение поликристаллических металлов. — Киев: Наукова думка, 1989. — 256 с.




  1. Трефилов В.И. и др. / ДАН УССР. Сер. А. 1980. 5. С. 83 – 86.





ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЯЗКОУПРУГИХ ХАРАКТЕРИСТИК

ЭЛАСТИЧНОГО ПОЛИМЕРНОГО МАТЕРИАЛА1

© Д. А. Черноус, С. Б. Анфиногенов, С. В. Шилько2
Статья поступила 30 сентября 2005 г.
Описана методика моделирования деформирования эластичных полимеров при испытаниях на одноосное растяжение и динамическое индентирование. Показано, что использование упрощенного представления ядра релаксации в виде экспоненциальной функции, полученной по результатам простых испытаний на динамическое внедрение индентора, позволяет адекватно описать диаграмму активного одноосного растяжения.




Широкое использование эластичных полимеров в строительстве, машиностроении, производстве биомедицинских изделий и других отраслях промышленности требует разработки методики описания механического поведения этих материалов.


  1. Работа выполнена при финансовой поддержке Бело-русского республиканского фонда фундаментальных исследований (проекты Т04Р-075 и Т05МС-035).




  1. Институт механики металлополимерных систем им. В. А. Белого НАН Беларуси, г. Гомель, Беларусь.



Эластичные полимеры обладают рядом особенностей, которые должны быть учтены при создании мате-матической модели их деформирования. Так, по сравнению с большинством конструкционных материалов они имеют меньшую жесткость и более широкий диапазон обратимых деформаций, харак-теризуются ярко выраженными реономными свой-ствами (ползучесть и релаксация). Отмеченные особенности позволяют в достаточно широком диапазоне деформаций и скоростей нагружения рассматривать исследуемые материалы как вязко-упругие [1 – 4].