МНОГОУРОВНЕВЫЕ ИЕРАРХИЧЕСКИ ОРГАНИЗОВАННЫЕ ДЕФЕКТНЫЕ И ГЕТЕРОФАЗНЫЕ СТРУКТУРЫ В СТАЛЯХ И МАЛОАКТИВИРУЕМЫХ СПЛАВАХ С ДИСПЕРСНЫМ УПРОЧНЕНИЕМ (промежуточный отчет за 2017 год)

Объект исследования - малоактивируемые сплавы ванадия, аустенитные и ферритно-мартенситные стали. Цель исследования - выявление закономерностей и механизмов формирования и эволюции новых мультимодальных наноструктурных состояний и механических свойств в сталях и малоактивируемых ванадиевых сплавах с совместным дисперсным плюс субструктурным упрочнением в различных условиях механической, термической и химико-термической обработки; обоснование высокой эффективности этих состояний для повышения механических свойств этих материалов. Проведено комплексное исследование неравновесных наноструктурных состояний, механических свойств и особенностей пластической деформации с использованием методов просвечивающей электронной микроскопии и молекулярной динамики. Изучены закономерности и механизмы фазовых превращений в различных условиях термомеханической обработки (ТМО) малоактивируемых ванадиевых сплавов с карбидным (частицами ZrC) упрочнением. Установлены режимы ТМО, обеспечивающие термодинамические и кинетические условия формирования однородного распределения наноразмерных частиц ZrC высокой плотности, повышения характеристик прочности и термической стабильности микроструктуры этих сплавов. Выявлены основные этапы и механизмы эволюции микроструктуры высокопрочного ванадиевого сплава V-Cr-W-ZrО₂ с наноразмерными частицами оксида циркония в процессе больших пластических деформаций при комнатной температуре. Показано, что увеличение объемного содержания этих частиц способствует более интенсивному развитию эволюционных процессов и ускоренному протеканию соответствующих этапов наноструктурирования материала. Показано, что перспективным способом модификации микроструктуры для повышения механических свойств ферритно-мартенситной стали ЭК-181 является высокотемпературная термомеханическая обработка, включающая пластическую деформацию в аустенитной области. Результатом такой обработки является: предельно высокая (размер частиц несколько нанометров) дисперсность наночастиц карбонитрида ванадия V(C, N) и высокая эффективность совместного дисперсного плюс субструктурного упрочнения с рекордными для этого класса сталей значениями предела текучести (σ0,1 ≈ 470 МПа при Т = 650°С). Установлены основные закономерности формирования микроструктуры и механических свойств стали 02Х17Н14М2 в процессе ТМО, сочетающих низкотемпературную (с охлаждением в жидком азоте) с последующей «теплой» деформацией прокаткой при Т ≤ 600°C. Показано, что важными механизмами пластической деформации являются в этих условиях прямые плюс обратные (γ → α" + α" → γ) мартенситные превращения с осуществлением обратных превращений по альтернативным системам. Реализация этих механизмов обеспечивает формирование наноструктурных состояний с объемным содержанием аустенита до ≈ 99,5%, высокой плотностью пакетов микродвойников, полос локализации деформации с фрагментированной наноразмерной структурой и примерно трехкратным, по сравнению с исходными значениями, повышением предела текучести при комнатной температуре. Изучены механизмы деформации и разрушения аустенитной стали Х17Н13М3 в зависимости от режима ее насыщения водородом. Показано, что легирование водородом не изменяет стадийность пластического течения и слабо влияет на макроскопический характер разрушения и механические свойства стали. Результатом такого легирования является формирование поверхностной зоны, которая разрушается хрупко с образованием трещин, и вязкой матрицы с характерным ямочным изломом. Изменение характера дефектной субструктуры заключается в преобладании сдвига по одной системе и активизации механического двойникования. Проведено молекулярно-динамическое изучение атомных механизмов зарождения пластичности в ванадии при механическом нагружении. Обнаружено, что при деформировании в стесненных условиях в монокристалле формируется фрагментированная структура. Ее формирование обусловлено взаимодействием растущих двойников. Количество и размер формируемых фрагментов определяется ориентацией основных систем скольжения кристаллита относительно направления растяжения. Наличие дефектов структуры в кристаллите ванадия может изменить характер развития пластической деформации при нагружении, подавляя зарождение двойников и усиливая дислокационные процессы. Полученные результаты могут быть использованы при создании новых материалов и технологий их обработки, в частности, для расширения интервала рабочих температур этих материалов в активных зонах ядерных реакторов и решения чрезвычайно важной проблемы ядерной энергетики - реализации полного замкнутого топливного цикла с утилизацией и повторным использованием большей части конструкционных материалов ТВЭЛов и сборок. Решение этой проблемы полностью соответствует Стратегии научно-технологического развития РФ по направлению «Переход к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике, повышение эффективности добычи и глубокой переработки углеводородного сырья, формирование новых источников, способов транспортировки и хранения энергии".