Нанооксидне зміцнення стопів на основі цирконію

О. М. Малка, П. М. Романко, В. Г. Ткаченко, О. І. Кондрашев

Інститут проблем матеріалознавства ім. І. М. Францевича НАН України, вул. Академіка Кржижановського, 3, 03142 Київ, Україна

Отримано: 01.07.2021. Завантажити: PDF

У даній роботі в системі Zr–Nb–Sn, Fе розроблено цирконієві стопи з нанооксидним зміцненням (зміцнення частинками нанорозмірних оксидів) до 1,5% мас. Y$_2$O$_3$ і до 1,2% мас. ZrO$_2$. Щоб виявити кореляцію між їхнім хемічним складом, обробкою, структурою і ефектами зміцнення, стопи досліджували з використанням ПЕМ, хемічного і рентґенівського аналізів, а також з оцінкою швидкісної чутливості опору повзучості. Ефективність нанооксидного зміцнення перевіряли на стопах у литому і деформованому станах. Встановлено, що стопи з введеними 1,2–1,5% мас. наночасток після термомеханічної обробки за 673 К демонструють значне, більше ніж на 100 МПа збільшення міцності з одночасним зростанням пластичності за 293 К. Основні переваги нанооксидного зміцнення некогерентними частинками Y$_2$O$_3$ і ZrO$_2$ зводять до їх більш рівномірного розподілу у деформованому об’ємі стопу з мінімальною локалізацією зсуву. Спостережувані на діаграмах розтягу зуби плинності й ефекти динамічного деформаційного старіння стопів пов’язують з гальмуванням і блокуванням дислокацій домішковими атомами розчиненого Оксиґену (0,15%). За даними термоактиваційного аналізу стопу Zr–1Nb–1,5Sn–0,17Fe–1,5Y$_2$O$_3$ швидкість повзучості в інтервалі температур 673–873 К контролюється найімовірнішим термічно активованим механізмом обходу некогерентних оксидних наночастинок дислокаціями в процесі їх сходження з енергією активації 4,3 еВ ($\sim 1Gb^{3}$) і активаційним об’ємом 31,5$b^3$ для литого стану, а також з енергією активації 3,4 еВ ($\sim 0,8Gb^{3}$) і активаційним об’ємом 22,5$b^3$ для деформованого стану. Запропонований механізм нанооксидного зміцнення узгоджується з модельними уявленнями Арта і Вілкінсона. Дискретно зміцнені нанооксидами композиційні матеріали розглядають як перспективні оболонкові стопи для застосування в ядерній енергетиці. Одержані результати можуть бути використані для розробки фізико-хемічних принципів леґування нових стопів цирконію з нанооксидним зміцненням.

Ключові слова: цирконієві стопи, нанооксидне зміцнення, механізми повзучості, опір дислокаційній повзучості, релаксація напружень.

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

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


ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА
  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