Влияние свинцового теплоносителя на особенности микроструктуры, изменение элементного состава и формирование коррозионных слоев в реакторных ферритно-мартенситных сталях в условиях длительной высокотемпературной выдержки с последующим растяжением и усталостными испытаниями (промежуточный, 2019)

Объект исследования – ферритно-мартенситные стали. Цель работы – выявление закономерностей структурно-фазовых превращений, изменения элементного состава при формировании коррозионных слоев на поверхности, микроструктурных особенностей пластической деформации и разрушения реакторных ферритно-мартенситных сталей ЭК-181 и ЭП-823 в условиях длительной (3000 ч) выдержки в свинцовом теплоносителе при 600 °С с последующим растяжением при различных температурах и циклическими испытаниями. Методология НИР – комплексное исследование микроструктуры и фазового состава с использованием рентгеноструктурного анализа, растровой и просвечивающей электронной микроскопии. Методами просвечивающей и растровой электронной микроскопии изучены особенности гетерофазной микроструктуры и изменения элементного состава поверхности образцов российской малоактивируемой 12 %-ной хромистой ферритно-мартенситной стали ЭК-181 после выдержки при 600 °C в течение 3000 ч. в свинцовом теплоносителе в сравнении с состоянием после традиционной термической обработки. Показано, что микроструктура стали сохраняет свою стабильность в процессе длительной выдержки в жидком свинце – качественных изменений после такого воздействия не обнаружено. Количественные различия заключаются в повышении плотности и некотором увеличении размеров грубодисперсных частиц M23C6 и наноразмерных частиц V(C, N) относительно традиционной термической обработки. При этом, изменения, происходящие в материале обусловлены термическим воздействием, а не влияем теплоносителя. На поверхности образов стали после длительной выдержки в жидком свинце обнаружено наличие рыхлого неоднородного двухслойного покрытия толщиной от 5 до 25 мкм. Внешний слой покрытия, вероятно, представляет собой оксидную пленку, обогащенную преимущественно железом, внутренний – хромом. Рентгенофазовый и электронно-микроскопический анализ показал, что оксидное покрытие в основном представлено частицами окислов железа Fe3O4 и Fe2O3, и, по-видимому, в меньшей степени оксидами хрома – Cr2O3 и Fe(Cr2O4). Сравнительные электронно-микроскопические исследования особенностей деформированной микроструктуры стали ЭК-181 в шейке образцов, разрушенных растяжением при температурах 20, 680, 700 и 720 °С, показали, что как после длительной высокотемпературной выдержки в свинцовом теплоносителе, так и в исходном состоянии после традиционной термической обработки увеличение температуры деформации от 20 до 720 ºС приводит к аналогичным изменениям в деформированной микроструктуре стали. С повышением температуры растяжения происходит интенсификация процессов отпуска мартенсита – искривление и фрагментация мартенситных пластин и реек с формированием практически равноосных зерен феррита, увеличение плотности и размеров частиц карбидных и карбонитридных фаз (М23С6 и V(C, N)), существенное снижение плотности дислокаций, динамическая полигонизация и динамическая рекристаллизация при Т ≥ 700 ºС. Количественные различия между состояниями без выдержки и с выдержкой в свинце заключаются, во-первых, в повышенной, по сравнению с традиционной обработкой плотностью наноразмерных частиц карбонитрида на основе ванадия V(C, N) при температуре деформации Т = 20 ºС. С ростом температуры испытаний это различие становится практически незаметным. Во-вторых, в более интенсивном укрупнении ферритной структуры, которое отчетливо проявляется при температурах 700 и 720 ºС. Фрактографическое исследование вида изломов образцов, растянутых при температурах 20, 680, 700 и 720 ºС выявило, что сформированное оксидное покрытие на поверхности образцов стали ЭК-181 после 3000 часовой выдержки в контакте со свинцовым теплоносителем, а также изменения в карбидной подсистеме стали не оказывают заметного влияния на характер ее разрушения как при комнатной температуре испытаний, так и при повышенных (680-720 °C) температурах. При высоких температурах в обоих случаях наблюдается вязкий чашечный излом и значительное сужение в шейке. При комнатной температуре помимо вязкого излома наблюдаются элементы хрупкого разрушения и микротрещины. Результаты работы могут быть использованы для создания новых технологий повышения жаропрочности разрабатываемых сталей и сплавов, предназначенных для работы в активных зонах энергетических реакторов на быстрых нейтронах.