«Применение метода инструментального индентирования к исследованию свойств конструкционных сталей, подвергнутых облучению тяжелыми ионами» (промежуточный)

Цель НИР: создание научного задела в области исследования механических свойств и прогнозирования технических характеристик существующих и вновь создаваемых конструкционных материалов для нужд атомной промышленности. К задачам проекта относятся: 1) проведение экспериментов по изучению характера упрочнения приповерхностных слоев сталей, возникающего в результате облучения тяжелыми ионами, 2) усовершенствование модели, описывающей механизм упрочнения облученных сталей, и исследование зависимости этих механизмов от энергии и глубины внедрения бомбардирующих метал ионов, 3) учет влияния морфологии поверхности образцов в результате индентирования с целью корректировки значений твердости. Актуальность проблемы: Для таких областей применения, как ядерная техника, стоит важная задача по оценке и прогнозированию механических свойств материалов на длительные времена. Известно, что новые конструкционные материалы для реакторов, например, стали дисперсно-упрочненные оксидами, планируются к приходу на смену традиционным конструкционным материалам. Однако, вначале требуется провести детальное исследование и доказать, что их свойства лучше подходят к заявленному применению, чем у использовавшихся ранее. Актуальность исследования поведения конструкционных материалов обусловлена необходимостью определения их расчетного срока службы, допускаемых нагрузок в различных конструкциях. Эксперименты по нейтронному облучению занимают продолжительное время, поэтому гораздо чаще используется облучение пучками ионов. Измерение механических свойств материала, подвергшегося облучению ионами, требуется производить с целью анализа упрочнения приповерхностного слоя по сравнению с внутренними слоями образцов, в которые не произошло проникновение повреждающих частиц. Для образцов, имеющих приповерхностный слой, представляющий интерес для исследования, толщиной в 1-2 мкм, для получения зависимости твёрдости от глубины требуется проводить либо серии индентирований с малыми нагрузками (что задействует большую площадь образца), либо применять метод динамического механического анализа (даёт зависимость в одной точке). Полученные научные результаты. На данном этапе произведены исследования твёрдости ферритно-мартенситных сталей ЭП-450, ЭП-823, Eurofer97, сталей дисперсно-упрочненных оксидами тех же марок, а также сплава вольфрама-рения W-6Re. Для определения величин микротвёрдости по Виккерсу необлученных образцов в данной работе исследовались подходы к автоматическому определению размеров остаточных отпечатков. Самое существенное отличие в большую сторону микротвёрдости от величины нанотвёрдости имело место для образцов ЭП-450 ДУО, ЭП-823 ДУО и составило порядка 20%. Для остальных необлученных образцов это отличие не превысило 10%. С учётом специфики процедуры индентирования (были приняты во внимание навалы) было показано, что упрочнение облученного образца Eurofer97 составило (0,58±0,06) ГПа и оказалось ниже разницы в твердости облученного и внутреннего слоев образца ODS Eurofer, составившей (0,79±0,08) ГПа.Для образцов сплава W-6Re максимальный прирост твердости наблюдался для образца, облученного до дозы 5·1016 ион/см2. Температура облучения оказала слабое влияние на прирост твёрдости при одинаковой дозе облучения 2·1016 ион/см2. Максимальное упрочнение, составившее более 1 ГПа, среди образцов марок стали «ЭП» показал образец ЭП-450, облученный до дозы 1·1017 ион/см2 при температуре 500 градусов. Для остальных образцов этих марок с ростом температуры проявилось значительное снижение упрочнения. Предполагаемое использование результатов и продукции. Контроль достижения изделиями требуемых характеристик является одним из важнейших этапов отработки и внедрения новых технологий в реальном секторе экономики. Измерения физико-механических свойств сталей, побывавших в условиях, приближенных к реальной эксплуатации, является неотъемлемой частью признания их пригодности и дальнейшей сертификации промышленных образцов. С применением полученных результатов анализа свойств сплавов разного состава станет возможным производить стали для ядерных и термоядерных реакторов с наилучшими из возможных характеристик. Форма представления результатов НИР. Результаты, полученные на данном этапе, отражены в двух научных статьях и доложены на одной конференции. Предполагаемое развитие исследований. На следующем этапе работ предусмотрено продолжение исследований ферритно-мартенситных сталей, облученных при более высоких температурах. Предполагается проведение измерения твёрдости сплавов вольфрама-рения в условиях повышенных температур (до 400 градусов), а также развитие алгоритмов обработки экспериментальных данных, полученных по методу динамического инструментального индентирования.