Влияние длительного теплового старения в составе теплообменного оборудования реакторной установки на быстрых нейтронах на структуру и свойства аустенитной хромоникелевой стали

В работе исследовано влияние длительной эксплуатации при температуре 515 °С на структуру и свойства стали 09Х18Н9. Данные по структуре и фазовому составу стали получены с помощью оптической и растровой электронной микроскопии. Фазовый состав стали в равновесном состоянии определен путем термодинамического моделирования в программном пакете FactSage. В результате исследования установлено, что в процессе эксплуатации при температуре 515 °С продолжительностью 195 тыс. ч в стали 09Х18Н9 происходит изменение структуры с образованием вторичных фаз, инициированное выделением элементов с ограниченной растворимостью из пересыщенного твердого раствора. Обнаружено присутствие в структуре твердого раствора аустенита следующих вторичных выделений: карбид хрома Cr23C6 , феррит (а), G-фаза. На основании сопоставления данных термодинамического моделирования и экспериментального определения фазового состава установлено, что структура стали находится в состоянии, близком к равновесному. Выявлен и описан механизм протекания структурных превращений, последовательность образования вторичных фаз. На начальном этапе происходит образование карбида хрома, затем вблизи карбидов происходит образование а-феррита и, затем, формируется G-фаза. Результаты испытаний на ударную вязкость и статическое растяжение показали, что изменение фазового состава в процессе теплового старения приводит к охрупчиванию стали - снижению пластичности и энергии удара. Фрактографические исследования поверхностей изломов образцов показали, что снижение пластичности в процессе длительной высокотемпературной эксплуатации связано с разупрочнением тела зерна и упрочнением границ за счет вторичных выделений карбидной фазы. В результате данного процесса пластическая деформация локализуется в разупрочненном объеме тела зерна, окруженного прочными границами. Наибольшее влияние эволюция структуры при длительном тепловом старении оказывает на ударную вязкость. При этом изменение временного сопротивления и предела текучести незначительно. Основной вклад в изменение механических характеристик стали вносят вторичные выделения карбидной фазы.

1. Конструкционные материалы АЭС / Ю.Ф. Баландин, И.В. Го-рынин, Ю.И. Звездин, В.Г. Марков. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 280 с.

2. Baddoo N.R. Stainless steel in construction: A review of research, applications, challenges and opportunities // Journal of Constructional Steel Research. 2008. Vol. 64. P. 1199 - 1206.

3. Renault A., Malaplate J., Pokor C., Gavoille P. TEM and EFTEM characterization of solution annealed 304L stainless steel irradiated in PHENIX, up to 36 dpa and at 390 °C // Journal of nuclear materials. 2012. Vol. 421. P. 124 - 131.

4. Карзов 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 (82). С. 23 - 33.

5. Машиностроение. Энциклопедия. Машиностроение ядерной техники. Т. IV-25. - В 2-х кн. Кн. 1 / Е.О. Адамов, Ю.Г. Драгунов, В.В. Орлов и др. / Под ред. Е.О. Адамова. - М.: Машиностроение, 2005. - 960 с.

6. Sekine M., Sakaguchi N., Endo M. etc. Grain boundary engineering of austenitic steel PNC316 for use in nuclear reactors // Journal of Nuclear Materials. 2011. Vol. 414. P. 232 - 236.

7. Dae Whan Kim. Influence of nitrogen-induced grain refinement on mechanical properties of nitrogen alloyed type 316L(N) stainless steel // Journal of Nuclear Materials. 2012. Vol. 420. P. 473 - 478.

8. Lee W.-S., Lin C.-F., Chen T.-H., Luo W.-Z. High temperature deformation and fracture behavior of 316L stainless steel under high strain rate loading // Journal of Nuclear Materials. 2012. Vol. 420. P. 226 - 234.

9. Sivai Bharasi N., Thyagarajan K., Shaikh H. etc. Effect of flowing sodium on corrosion and tensile properties of AISI type 316LN stainless steel at 823 K // Journal of Nuclear Materials. 2008. Vol. 377. P. 378 - 384.

10. Голод В.М., Савельев К.Д. Вычислительная термодинамика в материаловедении: Учеб. пособие. - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2010. - 218 с.

11. McGuire M. Stainless Steels for Design Engineers. ASM International. 2008. - 296 p.

12. Lo К.Н., Shek С.Н., Lai J.K.L. Recent developments in stainless steels // Materials Science and Engineering R. 2009. Vol. 65. P. 39 - 104.

13. Гудремон Э. Специальные стали. Т.1. - М.: Металлургия, 1966. - 736 с.

14. Меськин В.С. Основы легирования стали. - М.: Государственное научно-техническое издательство литературы по черной и цветной металлургии, 1959. - 688 с.

15. Magnabosco R. Kinetics of sigma phase formation in a duplex stainless steel // MaterialsResearch. 2009. Vol. 12, No. 3. P. 321 - 327.

16. Chih-Chun Hsieh, Weite Wu. Overview of intermetallic sigma (a) phase precipitation in stainless steels // International Scholarly Research Network ISRN Metallurgy. Vol. 2012. Article ID 732471.

17. Марголин Б.З., Гуленко А.Г., Бучатский А.А. и др. Исследование влияния термического старения на длительную прочность и пластичность стали Х18Н9 // Вопросы материаловедения. 2010. № 4 (64). С. 118 - 127.

18. NRIM-Metallographic Atlas of Long-term Crept Materials No M-2. National Research Institute for Metals, Tokyo, Japan, 2003.

19. Sourmail T. Precipitation in creep resistant austenitic stainless steels // Materials Scienceand Technology. 2001.Vol. 17(1). P. 1 - 14.

20. Карзов Г.П., Тимофеев Б.Т., Чернаенко Т.А. Старение материалов оборудования АЭС при эксплуатации в течение проектного срока службы // Вопросы материаловедения. 2005. № 2 (42). С. 92 - 110.

21. Горынин И.В., Карзов Г.П., Галяткин С.Н. и др. Антикоррозионная наплавка. Опыт применения и пути совершенствования // Вопросы материаловедения. 2005. № 2 (42). С. 129 - 143.

22. Weiss B., Sticler R. Phase instabilities during high temperature exposure of 316 austenitic stainless steel // Metallurgical Transactions. 1972. Vol. 3. P. 851.

23. Мэнсон С. Температурные напряжения и малоцикловая усталость / Пер. с англ. - М.: Машиностроение, 1974. - 344 с.

24. Копельман Л.А. Основы теории прочности сварных конструкций: Учеб. пособие. - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2007. - 278 с.