Нанооксидное упрочнение сплавов на основе циркония

А. Н. Малка, П. М. Романко, В. Г. Ткаченко, А. И. Кондрашев

Институт проблем материаловедения им. И. Н. Францевича НАН Украины, ул. Академика Кржижановского, 3, 03142 Киев, Украина

Получена: 01.07.2021. Скачать: PDF

В данной работе в системе Zr–Nb–Sn, Fе разработаны циркониевые сплавы с нанооксидным упрочнением (упрочнение частицами наноразмерных оксидов) до 1,5% масс. Y$_2$O$_3$ и до 1,2% мас. ZrO$_2$. Чтобы выявить корреляцию между их химическим составом, обработкой, структурой и эффектами упрочнения, сплавы были исследованы с использованием ПЕМ, химического и рентгеновского анализов, а также с оценкой скоростной чувствительности сопротивления ползучести. Эффективность нанооксидного упрочнения была проверена на сплавах в литом и деформированном состояниях. Установлено, что сплавы с введенными 1,2–1,5% масс. наночастиц после термомеханической обработки при 673 К демонстрируют значительное, более чем на 100 МПа, увеличение прочности с одновременным увеличением пластичности при 293 К. Основные преимущества нанооксидного упрочнения некогерентными частицами Y$_2$O$_3$ и ZrO$_2$ сводятся к их более равномерному распределению в деформированном объёме сплава с минимальной локализацией сдвига. Наблюдаемые на диаграммах растяжения зубы текучести и эффекты динамического деформационного старения сплавов связывают с торможением и блокированием дислокаций примесными атомами растворённого кислорода (0,15%). По данным термоактивационного анализа сплава Zr–Nb–1,5Sn–0,17Fe–1,5Y$_2$O$_3$ скорость ползучести в интервале температур 673–873 К контролируется наиболее вероятным термически активированным механизмом обхода некогерентных оксидных наночастичек дислокациями в процессе их восхождения с энергией активации 4,3 эВ ($\sim 1Gb^{3}$) и активационным объёмом 31,5$b^3$ для литого состояния, а также с энергией активации 3,4 эВ ($\sim 0,8Gb^{3}$) и активационным объёмом 22,5$b^3$ для деформированного состояния. Предложенный механизм нанооксидного упрочнения согласуется с модельными представлениями Arzt и Wilkinson. Дискретно упрочнённые нанооксидами композиционные материалы рассматриваются в качестве перспективных оболочечных сплавов для использования в ядерной энергетике. Полученные результаты могут быть использованы для разработки физико-химических принципов легирования новых сплавов циркония с нанооксидным упрочнением.

Ключевые слова: циркониевые сплавы, нанооксидное упрочнение, механизмы ползучести, сопротивление дислокационной ползучести, релаксация напряжений.

URL: https://mfint.imp.kiev.ua/ru/abstract/v43/i11/1471.html

PACS: 62.40.+i, 81.05.Bx, 81.07.-b, 81.16.Pr, 81.40.Lm, 81.70.Bt


ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
  1. А. С. Займовский, А. В. Никулина, Н. Т. Решетников, Циркониевые сплавы в ядерной энергетике (Москва: Энергоатомиздат: 1994).
  2. K. I. Chang and S. I. Hong, J. Nucl. Mater., 373, Iss. 1–3: 16 (2008). Crossref
  3. B. X. Zhou, M. Y. Yao, Z. K. Li, X. M. Wang, J. Zhou, C. S. Long, Q. Liu, and B. F. Luan, J. Mater. Sci. Technol., 28, Iss. 7: 606 (2012). Crossref
  4. C. Cochrane, I. Skippon, and M. R. Daymond, Int. J. Plasticity, 119: 102 (2019). Crossref
  5. А. А. Березина, Е. А. Сегида, В. К. Носенко, А. В. Котко, Электронная микроскопия и прочность материалов, 14: 57 (2007).
  6. Ю. Р. Колобов, Г. П. Грабовецкая, Е. Ф. Дударев, К. В. Иванов, Вопросы материаловедения, 37, № 1: 56 (2004).
  7. В. Г. Ткаченко, А. И. Кондрашев, А. Н. Малка, П. М. Романко, А. И. Дехтяр, В. И. Бондарчук, Металлофиз. новейшие технол., 39, № 10: 1321 (2017). Crossref
  8. V. G. Tkachenko, Res. Dev. Material Sci., 12, Iss. 5: 1344 (2020). Crossref
  9. К. И. Портной, Б. Н. Бабич, Дисперстноупрочнённые материалы (Москва: Металлургия: 1974).
  10. E. Artz and D. S. Wilkinson, Acta Metall., 34, Iss. 10: 1893 (1986). Crossref
  11. S. Ko, J. M. Lee, and S. I. Hong, Nuclear Engineering Technology, 43, Iss. 5: 421 (2011). Crossref
  12. A. H. Cottrell and B. A. Bilby, Proc. Phys. Soc. A, 62: 49 (1949). Crossref
  13. Г. Дж. Фрост, М. Ф. Эшби, Карты механизмов деформации (Челябинск: Металлургия: 1989).
  14. V. G. Tkachenko, Strength of Mater., 45: 555 (2013). Crossref
  15. E. W. K. Honeycombe, The Plastic Deformation of Metals (London, Baltimore: E. Arnold LTD: 1984). Crossref
  16. J. Rosler and E. Arzt, Acta Metal. Mater., 38, Iss. 4: 671 (1990). Crossref