Моделирование радиационного воздействия на деформацию и изменение механических свойств бинарного сплава Zr–Nb

O. M. Щёкотова, Д. О. Харченко, В. О. Харченко, В. В. Куприенко, С. В. Кохан

Институт прикладной физики НАН Украины, ул. Петропавловская, 58, 40000 Сумы, Украина

Получена: 16.06.2021; окончательный вариант - 15.09.2021. Скачать: PDF

Рассмотрено влияние нейтронного облучения на изменение механических свойств бинарного сплава Zr–Nb при нагрузке в виде деформации растяжения, сжатия и простого сдвига. На основе модели фазового поля с учётом теории скоростей реакций для определения динамики дефектов и с введением упругой составляющей в рамках нелинейной теории упругости выполнено численное моделирование приготовления образца сплава, облучения нейтронами подготовленного образца и механической нагрузки образцов сплава до и после облучения. Получены и проанализированы деформационные кривые, эволюция распределения полей упругих деформаций и смещений. Исследованы формирование и динамика линий проскальзывания, которые образуют дислокационные диполи. Изучено влияние температуры облучения, скорости набора дозы, а также скорости деформации на пределы прочности и текучести. Получены дозовые зависимости предела прочности при растяжении, сжатии и сдвиге. Проанализировано влияние облучения и скорости деформации на поведение плотности упругой энергии.

Ключевые слова: бинарный сплав, облучение, дефекты, деформация, механические свойства.

URL: https://mfint.imp.kiev.ua/ru/abstract/v43/i11/1489.html

PACS: 61.72.Hh, 61.72.Lk, 61.80.-x, 62.20.D-, 62.20.F-, 83.50.-v


ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
  1. G. S. Was, Fundamentals of Radiation Materials Science (Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag: 2007).
  2. Radiation Effects Design Handbook. Sec. 7: Structural Alloys (Ed. M. Kangilaski) (Washington, D.C.: NASA Contractor Report: 1971).
  3. В. Ф. Зеленский, И. М. Неклюдов, Л. С. Ожигов, Некоторые проблемы физики радиационных повреждений материалов (Киев: Наукова думка: 1979).
  4. И. М. Неклюдов, Н. В. Камышанченко, Основы физики прочности и пластичности металлов (Белгород: Изд-во БелГУ: 2003).
  5. В. Н. Воеводин, И. М. Неклюдов, Эволюция структурно-фазового состояния и радиационная стойкость конструкционных материалов (Киев: Наукова думка: 2006).
  6. S. J. Zinkle, Comprehensive Nuclear Materials (Ed. R. F. Konings) (Amsterdam: Elsevier: 2012), vol. 1, p. 65.
  7. M. L. Grossbeck, Comprehensive Nuclear Materials (Ed. R. F. Konings) (Amsterdam: Elsevier: 2012), vol. 1, p. 99. Crossref
  8. M. Nastar and F. Soisson, Comprehensive Nuclear Materials (Ed. R. F. Konings) (Amsterdam: Elsevier: 2012), vol. 1, p. 471. Crossref
  9. G. I. Miller, Zirconium (London: Butterworths Scientific Publications: 1957).
  10. D. L. Douglass, Atomic Energy Review, Supplement. The Metallurgy of Zirconium (Vienna: International Atomic Energy Agency: 1971).
  11. А. С. Займовский, А. В. Никулина, Н. Г. Решетников, Циркониевые сплавы в ядерной энергетике (Москва: Энергоатомиздат: 1981).
  12. F. Onimus and J. L. Bechade, Comprehensive Nuclear Materials (Ed. R. F. Konings) (Amsterdam: Elsevier: 2012), vol. 4, p. 1. Crossref
  13. H. Yu, Z. Yao, and M. R. Daymond, J. Nucl. Mater., 493: 84 (2017). Crossref
  14. S. Banerjee and P. Mukhopadhyay, Phase Transformations: Examples from Titanium and Zirconium Alloys (Oxford: Elsevier Science, Pergamon Material Series: 2007), vol. 12.
  15. R. A. Holt, J. Nucl. Mater., 35: 322 (1970). Crossref
  16. Т. П. Черняева, В. М. Грицина, Е. А. Михайлов, Р. Л. Василенко, Е. А. Слабоспицкая, ВАНТ, 2: 95 (2011).
  17. V. Perovic, G. C. Weatherly, and R. G. Fleck, Can. Metall. Q, 24: 253 (1985). Crossref
  18. D. Srivastava, P. Mukhopadhyaya, S. Banerjeea, and S. Ranganathan, Mater. Sci. Eng., A, 288: 101 (2000). Crossref
  19. N. Saibaba, S. K. Jha, S. Tonpe, K. Vaibhaw, V. Deshmukh, S. V. Ramana Rao, K. V. Mani Krishna, S. Neogy, D. Srivastava, G. K. Dey, R. V. Kulkarni, B. B. Rath, E. Ramadasan, and S. A. Anantharaman, J. ASTM. Int., 8, Iss. 6: JAIOAD (2011). Crossref
  20. R. Tewari, D. Srivastava, G. K. Dey, J. K. Chakravarty, and S. Banerjee, J. Nucl. Mater., 383, Nos. 1–2: 153 (2008). Crossref
  21. K. Nuttall and D. Faulkner, J. Nucl. Mater., 67: 131 (1977). Crossref
  22. Y. Etoh and S. Shimada, J. Nucl. Mater., 200: 59 (1993). Crossref
  23. M. Griffiths, J. Nucl. Mater., 159: 190 (1988). Crossref
  24. V. N. Shishov, M. M. Peregud, A. V. Nikulina, G. P. Kobylyansky, A. E. Novoselov, Z. E. Ostrovsky, A. V. Obukhov, and Y. V. Pimenov, J. ASTM Int., 2, Iss. 8: JAI12431 (2005). Crossref
  25. S. Doriot, D. Gilbon, J. L. Bechade, M. Mathon, L. Legras, and J. P. Mardon, J. ASTM Int., 2, Iss. 7: JAI2332 (2005). Crossref
  26. C. D. Cann, C. B. So, R. C. Styles, and C. E. Coleman, J. Nucl. Mater., 205: 267 (1993). Crossref
  27. C. Song, CNL Nuclear Review, 5(1): 17 (2016). Crossref
  28. Z. L. Pan, S. Lawrence, P. H. Davies, M. Griffiths, and S. Sagat, Zirconium in the Nuclear Industry: 14th Int. Symp. (Eds. P. Rudling and B. Kammenzind) (West Conshohocken, PA: ASTM International: 2005), p. 759. Crossref
  29. S. Sagat, C. E. Coleman, M. Griffiths, and B. J. S. Wilkins, Zirconium in the Nuclear Industry: 10th Int. Symp. (Eds. A. M. Garde and E. R. Bradley) (Philadelphia, PA, USA: ASTM STP: 1994), p. 35.
  30. C. Coleman, M. Griffiths, V. Grigoriev, V. Kiseliov, B. Rodchenkov, and V. Markelov, J. ASTM Int., 4, No. 10: JAI101111 (2007). Crossref
  31. D. D. Himbeault, C. K. Chow, and M. P. Puls, Metal. Mater. Trans. A, 25: 135 (1994). Crossref
  32. M. Griffiths, P. H. Davies, W. G. Davies, and S. Sagat, Zirconium in the Nuclear Industry: 13th Int. Symp. (Eds. G. D. Moan and P. Rudling) (Conshohocken, PA, USA: ASTM STP: 2002), p. 507.
  33. C. R. Cupp, J. Nucl. Mater., 6, No. 3: 241 (1962). Crossref
  34. A. Sawatzky, The Effect of Neutron Irradiation on the Mechanical Properties of Hydrided Zirconium Alloys (Ontario: AECL: 1964).
  35. B. A. Cheadle, The Physical Metallurgy of Zirconium Alloys (Ontario: CRNL: 1975).
  36. F. Long, L. Balogh, D. W. Brown, P. Mosbrucker, T. Skippon, C. D. Judge, and M. R. Daymond, Acta Mater., 102: 352 (2016). Crossref
  37. Q. Wang, F. Long, Z. Wang, N. Guo, and M. R. Daymond, J. Nucl. Mater., 512: 371 (2018). Crossref
  38. Q. Dong, H. Qin, Z. Yao, and M. R. Daymond, Materials and Design, 161: 147 (2019). Crossref
  39. Г. П. Кобылянский, А. Е. Новоселов, Радиационная стойкость циркония и сплавов на его основе: Справочные материалы по реакторному материаловедению (Ред. В. А. Цыканов) (Димитровград: Гос. научный центр Российской федерации «Научно-исследовательский институт атомных реакторов»: 1996).
  40. P. V. Fedotov, L. P. Loshmanov, and A. V. Kostyukhina, Russ. Metall., 2014: 762 (2014). Crossref
  41. H. L. Yang, S. Kano, Y. Matsukawa, J. J. Shen, Z. S. Zhao, Z. G. Duan, D. Y. Chen, K. Murakami, Y. F. Li, Y. Satoh, and H. Abe, J. Nucl. Mater., 495: 138 (2017). Crossref
  42. J. W. Cahn, Acta Metall., 9: 795 (1961). Crossref
  43. J. W. Cahn, Acta Metall., 11: 1275 (1963). Crossref
  44. J. W. Cahn and J. E. Hilliard, J. Chem. Phys., 28: 258 (1958). Crossref
  45. J. Liu and P. Bellon, Phys. Rev. B, 66: 020303 (2002). Crossref
  46. G. Demange, L. Luneville, V. Pontikis, and D. Simeone, J. Appl. Phys., 121: 125108 (2017). Crossref
  47. R. A. Enrique and P. Bellon, Phys. Rev. Lett., 84: 2885 (2000). Crossref
  48. D. O. Kharchenko and V. O. Kharchenko, Radiat. Eff. Defects Solids, 171, Nos. 11–12: 819 (2016). Crossref
  49. D. O. Kharchenko, V. O. Kharchenko, O. M. Shchokotova, X. Wu, B. Wen, L. Wu, and W. Zhang, Radiat. Eff. Defects Solids., 173: 527 (2018). Crossref
  50. H.-C. Yu and W. Lu, Acta Mater., 53: 1799 (2005). Crossref
  51. Y. Li, S. Hu, X. Sun, and M. Stan, npj Comput. Mater., 3: 16 (2017). Crossref
  52. D. O. Kharchenko, V. O. Kharchenko, and A. I. Bashtova, Eur. Phys. J. B, 89: 123 (2016). Crossref
  53. D. O. Kharchenko, V. O. Kharchenko, Y. M. Ovcharenko, O. B. Lysenko, I. A. Shuda, L. Wu, and R. Pan, Condens. Matter. Phys., 21: 13002 (2018). Crossref
  54. Akira Onuki, Phase Transition Dynamics (Cambridge : Cambridge University Press: 2002). Crossref
  55. A. Minami and A. Onuki, Phys. Rev. B, 70: 184114 (2004). Crossref
  56. A. Onuki, A. Furukawa, and A. Minami, Pramana J. Phys., 64, No. 5: 661 (2005). Crossref
  57. Д. О. Харченко, О. М. Щёкотова, И. О. Лысенко, Металлофиз. новейшие технол., 35, № 12: 1697 (2013).
  58. D. O. Kharchenko, O. M. Shchokotova, I. O. Lysenko, and V. O. Kharchenko, Radiat. Eff. Defects Solids, 170: 584 (2015). Crossref
  59. Ch. Peng, Y. Zhong, Y. Lu, S. Narayanan, T. Zhu, and J. Lou, Appl. Phys. Lett., 102: 083102 (2013). Crossref
  60. Z. L. Liu, X. C. You, and Z. Zhuang, Int. J. Solids Struct., 45: 3674 (2008). Crossref
  61. A. Lehtinen, L. Laurson, F. Granberg, K. Nordlund, and M. J. Alava, Sci. Rep., 8: 6914 (2018). Crossref
  62. Z. Chen , Y. Gan, and L. M. Shen, Multiscaling in Molecular and Continuum Mechanics: Interaction of Time and Size from Macro to Nano (Ed. G. C. Sih) (Springer: 2007), p. 67.
  63. Y. Guo, Z. Zhuang, X.Y. Li, and Z. Chen, Int. J. Solids Struct., 44: 1180 (2007). Crossref
  64. D. O. Kharchenko, O. M. Shchokotova, V. O. Kharchenko, V. V. Kupriienko, S. V. Kokhan, X. Wu, and L. Wu, Radiat. Eff. Defects Solids, 175: 602 (2020). Crossref
  65. I. Loginova, J. Odqvist, G. Amberg, and J. Agren, Acta Mater., 51: 1327 (2003). Crossref
  66. G. Choudhuri, S. Chakraborty, D. Srivastava, and G. K. Dey, Results in Physics, 3: 7 (2013). Crossref
  67. N. Saunders and A. P. Miodownik, CALPHAD (Calculation of Phase Diagrams): A Comprehensive Guide (Ed. R. W. Cahn) (Oxford: Pergamon Press: 1998), vol. 1.
  68. A. T. Dinsdale, Calphad, 15, No. 4: 317 (1991). Crossref
  69. S. I. Golubov, A. V. Barashev, and R. E. Stoller, Comprehensive Nuclear Materials (Ed. R. F. Konings) (Amsterdam: Elsevier: 2012), vol. 1, p. 357. Crossref
  70. https://www.sgte.net/en/free-pure-substance-database
  71. M. J. Norgett, M. T. Robinson, and I. M. Torrens, Nucl. Eng. Des., 33: 50 (1975). Crossref
  72. A. S. Bakaj and A. A. Turkin, J. Nucl. Mater., 152, Iss. 2–3: 331 (1988). Crossref
  73. A. A. Turkin, A. V. Buts, and A. S. Bakai, J. Nucl. Mater., 305: 134 (2002). Crossref
  74. H. Wiedersich, P. R. Okamoto, and N. Q. Lam, J. Nucl. Mater., 83: 98 (1979). Crossref
  75. C. H. Woo, J. Nucl. Mater., 159: 237 (1988). Crossref
  76. P. Ehrhart and B. Schönfeld, Point Defects and Defect Interactions in Metals (Eds. J. I. Takamura, M. Doyama, and M. Kiritani) (Amsterdam: North-Holland Pub.: 1982), p. 47.
  77. W. Frank, J. Nucl. Mater., 159: 122 (1988). Crossref
  78. D. J. Bacon, J. Nucl. Mater., 159: 176 (1988). Crossref
  79. Y. N. Osetsky, D. J. Bacon, and N. de Diego, Metall. Mater. Trans. A, 33: 777 (2002). Crossref
  80. Ф. Х. Мирзоев, В. Я. Панченко, Л. А. Шелепин, Успехи физ. наук, 166: 3 (1996). Crossref
  81. D. O. Kharchenko, V. O. Kharchenko, A. I. Bashtova, and I. O. Lysenko, Phys. A, 463: 152 (2016). Crossref
  82. G. L. Kulchinski and J. L. Brimhall, American Society for Testing and Materials Report No. ASTM-STP 529 (Philadelphia: ASTM: 1973), p 258.
  83. A. V. Barashev, S. I. Golubov, and R. E. Stoller, J. Nucl. Mater., 461: 85 (2015). Crossref
  84. L. Wu, D. O. Kharchenko, V. O. Kharchenko, O. B. Lysenko, V. Kupriienko, S. Kokhan, I. A. Shuda, and R. Pan, Condens. Matter. Phys., 23: 13604 (2020). Crossref
  85. A. A. Semenov and C. H. Woo, J. Phys. D: Appl. Phys., 34: 3500 (2001). Crossref
  86. A. Onuki, Phys. Rev. E, 68: 061502 (2003). Crossref
  87. L. D. Landau and E. M. Lifshitz, Theory of Elasticity (New York: Pergamon: 1973).
  88. W. G. Wolfer, Comprehensive Nuclear Materials (Ed. R. F. Konings) (Amsterdam: Elsevier: 2012), vol. 1, p. 1.
  89. A. Patra, C. N. Tom, and S. I. Golubov, Philos. Mag., 97: 2018 (2017). Crossref
  90. F. Garzarolli, R. Adamson, and K. Coleman, Microstructure of Zirconium Alloys and Effects on Performance (Molnlycke: A.N.T. International: 2015).