blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2019-7-564-570blackmet-1683Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMATERIAL SCIENCEПрименение особенностей ультразвуковых резонансных колебаний для оценки размеров фазовых включений в образцах сплавов на основе хром–железоApplication of ultrasonic resonance oscillations to estimate the size of phase inclusions in samples of chrome – iron alloysБерестовА. В.BerestovA. V.

к.т.н., доцент, и.о. декана

Cand. Sci. (Eng.), Assist. Professor, Acting Dean

КудрявцевЕ. М.KudryavtsevE. M.

д. ф.-м. н., профессор кафедры конструирования приборов и установок

Dr. Sci. (Phys.–Math.), Professor of the Chair of Device and Installation Design

МартыненкоС. П.MartynenkoS. P.

научный сотрудник кафедры конструирования приборов и установок

Research Associate of the Chair of Device and Installation Design

РодькоИ. И.Rod’koI. I.

ассистент кафедры конструирования приборов и установок

Assistant of the Chair of Device and Installation Design

iirodko@mephi.ruНациональный исследовательский ядерный университет «МИФИ»РоссияNational Research Nuclear University MEPhI (Moscow Engineering Physics Institute)Russian Federation201922082019627564570Copyright © Берестов А.В., Кудрявцев Е.М., Мартыненко С.П., Родько И.И., 20192019Берестов А.В., Кудрявцев Е.М., Мартыненко С.П., Родько И.И.Berestov A.V., Kudryavtsev E.M., Martynenko S.P., Rod’ko I.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/1683

При реализации стратегической программы исследований, осуществляемой Технологической платформой «Замкнутый ядернотопливный цикл с реакторами на быстрых нейтронах», выполняются работы по оснащению горячих камер оригинальным нестандартным оборудованием для первичных послереакторных неразрушающих исследований свойств критически важных материалов реакторов на быстрых нейтронах. К ним относятся сплавы на основе хром–железо, рассматриваемые как перспективные для оболочек твэлов реакторов на быстрых нейтронах. В ходе исследования ультразвуковым спектроскопическим методом внутреннего трения цилиндрических образцов сплавов на основе хром – железо в узком температурном интервале вблизи 550  К при их охлаждении со скоростью около 0,2  К/с обнаружен аномальный с точки зрения классической теории колебаний эффект. Его особенность заключается в возникновении связанных колебаний в образцах с неравномерным распределением температуры по радиусу, если интервал изменения температуры содержит точку магнитного фазового перехода материала. Такой образец можно рассматривать как сложную колебательную систему, состоящую из периферийной (более холодной) и центральной областей, находящихся в разных магнитных состояниях, с пульсирующей границей раздела, на которой действуют механические напряжения. Установлено, что указанный аномальный режим колебаний связан с влиянием динамических колебательных напряжений на образование и магнитные фазовые превращения в карбонитридных включениях, возникающих в ходе термообработки сплавов. Предложено теоретическое описание этого эффекта. Показано, что регистрируя параметры связанных колебаний, можно оценить размеры образующихся фазовых включений. Отмечается, что обнаруженные особенности и установленные закономерности резонансных колебаний в совокупности с традиционным методом внутреннего трения можно использовать для обнаружения метастабильных фазовых включений, возникающих на промежуточных стадиях формирования структуры материала, и оценить их размеры. Последнее несомненно окажется полезным при первичных неразрушающих испытаниях в горячих камерах сильно облученных образцов этих сплавов при оптимизации состава сплавов для оболочек ТВЭЛов реакторов на быстрых нейтронах.

During the implementation of strategic research program of the Technology Platform “Closed Nuclear Fuel Cycle with Fast Reactors”, hot cells are fitted with original non-standard equipment for primary post-reactor non-destructive studies of critical fast reactor materials. These materials include chrome-iron alloys, considered as promising for fuel rod cladding of fast neutron reactors. During the investigation via the ultrasonic spectroscopic method of internal friction of cylindrical samples from chrome-iron alloys in a narrow temperature range near 550 K at their cooling with rate of about 0.2 K/s, we have revealed an anomalous effect from the point of view of oscillations classical theory. Its peculiarity consists in the occurrence of coupled oscillations in samples with a nonuniform temperature distribution along the radius, in case the interval of temperature variation contains the point of the magnetic phase transition of the material. Such a sample can be considered as a complex oscillatory system consisting of peripheral (cooler) and central areas in different magnetic states, with a pulsating interface, on which mechanical stresses act. It was estimated that this anomalous mode of oscillations is associated with the influence of dynamic vibrational stresses on formation and magnetic phase transformations in carbonitride inclusions occurring during heat treatment of alloys. A theoretical description of this effect is proposed. It is shown that by registering the parameters of coupled oscillations, it is possible to estimate the sizes of the resulting phase inclusions. The discovered features and established regularities of resonance oscillations in combination with the traditional method of internal friction can be used to detect metastable phase inclusions occurring at intermediate stages of the material structure, and to estimate their sizes. It will undoubtedly be useful in the case of primary non-destructive tests in hot cells of heavily irradiated samples of these alloys when optimizing their composition for fuel rod claddings of fast neutron reactors.

ультразвуковые резонансные колебаниясвязанные колебаниясплавы на основе хром – железовнутреннее трениефазовые включенияфазовые превращениядинамические колебательные напряженияultrasonic resonance oscillationcoupled oscillationschromeiron alloysinternal frictionphase impuritiesphase transformationdynamic oscillatory stressesРабота выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ. Соглашение № 14.578.21.0258, уникальный идентификатор проекта RFMEFI57817X0258.The work was financially supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation. Agreement No. 14.578.21.0258, a unique project identifier RFMEFI57817X0258.ReferencesКарзов Г.П., Кудрявцев А.С., Марков В.Г. и др. Разработка конструкционных материалов для атомных энергетических установок на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем // Вопросы материаловедения. 2015. № 2. С. 17 – 23.Karzov G.P., Kudryavtsev A.S., Markov V.G., Grishmanovskaya R.N., Trapeznikov Yu.M., Anan’eva M.A. Development of structural materials for nuclear power plants on fast neutrons with a sodium coolant. Design and choice of materials for fast reactors with sodium heat-transfer agent. Voprosy materialovedeniya. 2015, no. 2, pp. 17–23. (In Russ.).Кудрявцев Е.М., Мартыненко С.П. Исследование структурных и фазовых превращений в сплавах на основе хром-железо ультразвуковым спектроскопическим методом // Изв. вуз. Черная металлургия. 1997. № 7. С. 38 – 42.Kudryavtsev E.M., Martynenko S.P. Investigation of structural and phase transformations in chrome-iron alloys by ultrasonic spectroscopic method. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 1997, no. 7, pp. 38–42. (In Russ.).Баранов В.М., Кудрявцев Е.М. Применение ультразвукового резонансного метода для контроля изделий малых размеров // Дефектоскопия. 1979. № 9. С. 25 – 32.Baranov V.M., Kudryavtsev E.M. Application of ultrasonic resonance method for control of small sized items. Defektoskopiya. 1979, no. 9, pp. 25–32. (In Russ.).Кузьмин Е.В., Петраковский Г.А. Завадский З.А. Физика магнитоупорядоченных веществ. – Новосибирск: Наука, 1976. – 287 с.Kuz’min E.V., Petrakovskii G.A. Zavadskii Z.A. Fizika magnitouporyadochennykh veshchestv [Physics of magnetically ordered materials]. Novosibirsk: Nauka, 1976, 287 p. (In Russ.).Постников В.С. Внутреннее трение в металлах. – М.: Металлургия, 1974. – 352 с.Postnikov V.S. Vnutrennee trenie v metallakh [Inner friction in metals]. Moscow: Metallurgiya, 1974, 352 p. (In Russ.).Работнов Ю.Н. Механика деформируемого твердого тела. – М.: Наука, 1988. – 712 с.Rabotnov Yu.N. Mekhanika deformiruemogo tverdogo tela [Mechanics of deformable solids]. Moscow: Nauka, 1988, 712 p. (In Russ.).Эльсгольц Л.Э. Дифференциальные уравнения и вариационное исчисление. – М.: Наука, 1969. – 424 с.El’sgol’ts L.E. Differentsial’nye uravneniya i variatsionnoe ischislenie [Differential equations and variational calculus]. Moscow: Nauka, 1969, 424 p.Апаев Б.А. Магнитный фазовый анализ. – М.: Металлургия, 1976. – 280 с.Apaev B.A. Magnitnyi fazovyi analiz [Magnet phase analysis]. Moscow: Metallurgiya, 1976, 280 p. (In Russ.).Металловедение и термическая обработка стали. – В 3-х томах. Т. 2. Основы термической обработки / Под ред. М.Л. Берштейна, А.Г. Рахштадта. – М.: Металлургия, 1983. – 365 с.Metallovedenie i termicheskaya obrabotka stali. V 3-kh t. T. 2. Osnovy termicheskoi obrabotki [Metallurgy and heat treatment of steel. In 3 vols. Vol. 2. Basics of heat treatment]. Bershtein M.L., Rakhshtadt A.G. eds. Moscow: Metallurgiya, 1983, 365 p. (In Russ.).Салли А., Брэндз Э. Хром / Пер. с англ. / Под ред. В.А. Боголюбова. – М.: Мир, 1971. – 557 с.Sully A.H., Brandes E.A. Chromium. London: Butterworths, 1967, 373 p. (Russ. ed.: Salli A., Brendz E. Khrom. Moscow: Metallurgiya, 1971, 360 p.).Трефилов В.И., Мильман В.И., Фирстов С.А. Физические основы прочности тугоплавких металлов. – Киев: Наукова думка, 1975. – 315 с.Trefilov V.I., Mil’man V.I., Firstov S.A. Fizicheskie osnovy prochnosti tugoplavkikh metallov [Physical basics of strength of refractory metals]. Kiev: Naukova dumka, 1975, 315 p. (In Russ.).Маслюк В.А., Яковенко Р.В., Грипачевский А.Н., Баглюк Г.А. Структура и свойства спеченных хромистых карбидосталей на основе системы Fe-Cr-C // Вопросы материаловедения. 2015. № 2. С. 9 – 17.Maslyuk V.A., Yakovenko R.V., Gripachevskii A.N., Baglyuk G.A. Structure and properties of sintered chromium carbide steels based on the Fe-Cr-C system. Voprosy materialovedeniya. 2015, no. 2, pp. 9–17. (In Russ.).Криштал М.А., Головин С.А. Внутреннее трение и структура металлов. – М.: Металлургия, 1976. – 375 с.Krishtal M.A., Golovin S.A. Vnutrennee trenie i struktura metallov [Inner friction and structure of metals]. Moscow: Metallurgiya, 1976, 375 p. (In Russ.).Головин С.А. Головин И.С. Механическая спектроскопия релаксации Снуковского типа // Металловедение и термическая обработка металлов. 2012. № 5. С. 3 – 11.Golovin S.A., Golovin I.S. Mechanical spectroscopy of Snoek type relaxation. Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov. 2012, vol. 54, no. 5-6, pp. 208–216.Цуканов В.В., Зиза А.И. Совершенствование режимов термообработки стали марок 35ХН3МФА и 38ХН3МФА с целью повышения сопротивляемости хрупкому разрушению. Исследование превращения остаточного аустенита // Вопросы материаловедения. 2015. № 2. С. 1 – 9.Tsukanov V.V., Ziza A.I. Improvement of heat treatment modes for steel grades 35KhN3МFА and 38KhN3МFА in order to increase resistance to brittle fracture. Investigation of retained austenite transformation. Voprosy materialovedeniya. 2015, no. 2, pp. 1–9. (In Russ.).MagalasL.B., MalinowskiT. Measurement techniques of the logarithmic decrement // Solid State Phenom. 2003. Vol. 89. P. 247 – 260.Magalas L.B., Malinowski T. Measurement techniques of the logarithmic decrement. Solid State Phenom. 2003, vol. 89, pp. 247–260.Кокорин В.В., Осипенко И.А. Особенности магнитных свойств распавшихся твердых растворов Cr-Fe // Физика металлов и металловедение. 1980. Т. 50. № 6. С. 1174 – 1178.Kokorin V.V., Osipenko I.A. Peculiar features of the magnetic properties of decomposed Cr-Fe solid solutions. Physics of Metals and Metallography. 1980, vol. 50, no. 6, pp. 42–46.Magalas L.B. Mechanical spectroscopy – fundamentals // Sol. St. Phen. 2003. Vol. 89. P. 1 – 22.Magalas L.B. Mechanical spectroscopy – fundamentals. Sol. St. Phen. 2003, vol. 89, pp. 1–22.Magalas L.B., Majewski M. Ghost internal friction peaks, ghost asymmetrical peak broadening and narrowing. Misunderstandings, consequences and solution // Mater. Sci. Eng. A. 2009. September. Vol. 521/522. P. 384 – 388.Magalas L.B., Majewski M. Ghost internal friction peaks, ghost asymmetrical peak broadening and narrowing. Misunderstandings, consequences and solution. Mater. Sci. Eng. A. 2009, September, vol. 521/522, pp. 384–388.Magalas L.B., Majewski M. Recent advances in determination of the logarithmic decrement and the resonant frequency in low-frequency mechanical spectroscopy // Solid State Phenomena. 2008. Vol. 137. P. 15 – 20.Magalas L.B., Majewski M. Recent advances in determination of the logarithmic decrement and the resonant frequency in low-frequency mechanical spectroscopy. Solid State Phenomena. 2008, vol. 137, pp. 15–20.Magalas L.B., Darinskii B.M. Mechanical spectroscopy and relaxation phenomena in solids // Solid State Phenomena. 2008. Vol. 115. P. 1 – 6.Magalas L.B., Darinskii B.M. Mechanical spectroscopy and relaxation phenomena in solids. Solid State Phenomena. 2008, vol. 115, pp. 1–6.Magalas L.B. Determination of the logarithmic decrement in mechanical spectroscopy // Solid State Phenomena. 2006. Vol. 115. P. 7 – 14.Magalas L.B. Determination of the logarithmic decrement in mechanical spectroscopy. Solid State Phenomena. 2006, vol. 115, pp. 7–14.Golovin I. S., Rivière A. Mechanical spectroscopy of the Fe-25Al-Cr alloys in medium temperature range // Solid State Phenomena. 2008. Vol. 137. P. 99 – 108.Golovin I. S., Rivière A. Mechanical spectroscopy of the Fe-25Al-Cr alloys in medium temperature range. Solid State Phenomena. 2008, vol. 137, pp. 99-108.Magalas L.B. Mechanical spectroscopy – fundamentals // Solid State Phenomena. 2003. Vol. 89. P. 1 – 22.Magalas L.B. Mechanical spectroscopy – fundamentals. Solid State Phenomena. 2003, vol. 89, pp. 1–22.Magalas L.B., Golovin S.A., Darinskii B.M. Mechanical spectroscopy, internal friction and relaxation phenomena in solids – suggested reading // Solid State Phenomena. 2006. Vol. 115. P. 15 – 24.Magalas L.B., Golovin S.A., Darinskii B.M. Mechanical spectroscopy, internal friction and relaxation phenomena in solids – suggested reading. Solid State Phenomena. 2006, vol. 115, pp. 15–24.Yoshida I., Sugai T., Tani S. etc. Automation of internal friction measurement apparatus of inverted torsion pendulum type // J. Phys. E: Sci. Instrum. 1981. Vol. 14. No. 10. P. 1201 – 1206.Yoshida I., Sugai T., Tani S., Motegi M., Minamida K., Hayakawa H., Automation of internal friction measurement apparatus of inverted torsion pendulum type. J. Phys. E: Sci. Instrum. 1981, vol. 14, no. 10, pp. 1201–1206.Agrež D. A frequency domain procedure for estimation of the exponentially damped sinusoids, 12 MTC: 2009 // IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference. 2009. 1 – 3. P. 1295 – 1300.Agrež D., A frequency domain procedure for estimation of the exponentially damped sinusoids, 12 MTC: 2009. IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference. 2009, 1-3, pp. 1295–1300.Головин С.А., Паль-Валь П.П., Мозговой А.В. Современные проблемы механической спектроскопии // Успехи физики металлов. 2013. Т. 14. Вып. 3. С. 259 – 273.Golovin S.A., Pal’-Val’ P.P., Mozgovoi A.V. Contemporary problems of mechanical spectroscopy. Uspekhi fiziki metallov. 2013, vol. 14, no. 3, pp. 259–273. (In Russ.).Magalas L.B., Majewski M. Toward high-resolution mechanical spectroscopy hrms. resonant frequency – young’s modulus // Solid State Phenomena. 2012. Vol. 184. P. 473 – 478.Magalas L.B., Majewski M. Toward high-resolution mechanical spectroscopy HRMS. Resonant frequency – Young’s modulus. Solid State Phenomena. 2012, vol. 184, pp. 473–478.Duda K., Magalas L.B., Majewski M., Zieliński T.P. DFT-based estimation of damped oscillation parameters in low-frequency mechanical spectroscopy // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 2011. Vol. 60. No. 11. P. 3608 – 3618.Duda K., Magalas L.B., Majewski M., Zieliński T.P. DFT-based estimation of damped oscillation parameters in low-frequency mechanical spectroscopy. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 2011, vol. 60, no. 11, pp. 3608–3618.Rubianes J., Magalas L.B., Fantozzi G., San Juan J. The Dislocation-Enhanced Snoek Effect (DESE) in high-purity iron doped with different amounts of carbon // J. de Phys. 1987. Vol. 48. (C-8). P. 185 – 190.Rubianes J., Magalas L.B., Fantozzi G., San Juan J. The Dislocation-Enhanced Snoek Effect (DESE) in high-purity iron doped with different amounts of carbon. J. de Phys. 1987, vol. 48, (C-8), pp. 185–190.Etienne S., Elkoun S., David L., Magalas L.B. Mechanical spectroscopy and other relaxation spectroscopies // Solid State Phenomena. 2003. Vol. 89. P. 31 – 66.Etienne S., Elkoun S., David L., Magalas L.B., Mechanical spectroscopy and other relaxation spectroscopies. Solid State Phenomena. 2003, vol. 89, pp. 31–66.Magalas L.B., Piłat A. Zero-point drift in resonant mechanical spectroscopy // Solid State Phenomena. 2006. Vol. 115. P. 285 – 292.Magalas L.B., Piłat A. Zero-point drift in resonant mechanical spectroscopy. Solid State Phenomena. 2006, vol. 115, pp. 285–292.Magalas L.B., Dufresne J.F., Moser P. The Snoek-Köster relaxation in iron // J. de Phys. 1981. Vol. 42. (C-5). P. 127 – 132.Magalas L.B., Dufresne J.F., Moser P. The Snoek-Köster relaxation in iron. J. de Phys. 1981, vol. 42 (C-5), pp. 127–132.Magalas L.B. Mechanical spectroscopy, internal friction and ultrasonic attenuation: Collection of works // Mater. Sci. Eng. A. 2009. September .Vol. 521/522. P. 405 – 415.Magalas L.B. Mechanical spectroscopy, internal friction and ultrasonic attenuation: Collection of works. Mater. Sci. Eng. A. 2009, September, vol. 521/522, pp. 405–415.Баранов В.М., Кудрявцев Е.М., Мартыненко С.П. Особенности нелинейных резонансных колебаний образцов в области бездиффузионных фазовых переходов материалов // Акустический журнал. 1990. Т. 36. Вып. 3. С. 389 – 394.Baranov V.M., Kudryavtsev E.M., Martynenko S.P. Features of non-linear resonance oscillations of samples in the area of non-diffuse phase translations of materials. Akusticheskii zhurnal. 1990, vol. 36, no. 3, pp. 389–394. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.