ИССЛЕДОВАНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПОЛЗУЧЕСТИ ФЕРРИТО-МАРТЕНСИТНОЙ СТАЛИ 16Х12МВСФБР (ЭП-823)

Базовыми характеристиками феррито-мартенситных жаропрочных сталей с 12 % хрома являются показатели прочности и сопротивления ползучести при температурах 600 – 750 °С. Сталь 16Х12МВСФБР (ЭП-823) рассматривается как основной материал для изготовления оболочек тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов) разрабатываемого реактора с естественной безопасностью типа БРЕСТ. В литературе имеются данные о ее механических характеристиках при испытании на растяжение в диапазоне температур 20 – 750 °С и ограниченные характеристики длительной прочности, сведения о скорости ползучести отсутствуют. Закономерности ползучести стали ЭП-823 исследовали на металле трех плавок массой 3 кгкаждая. Применяли испытание на сжатие на воздухе цилиндрических образцов размером ~ 5 ÷ 6 ммпри температуре 600 - 760 °С и напряжении 70 – 310 МПа. База испытаний при сжатии не превышала 11 ч. Структура после закалки и отпуска состояла из отпущенного мартенсита и 6 – 12 % (объемн.) δ-феррита, размер зерна – не более 20 мкм. Показано, что описание результатов испытаний на ползучесть в двойных логарифмических координатах (logσ – logέ ) обеспечивает лучшее совпадение результатов аппроксимации и эксперимента, чем в полулогарифмических (σ – logέ ). Анализ параметрических зависимостей по Холломону Р_S = (T/ 1000)[С_S - log (έ)] и Ларсену-Миллеру P_E = (T/ 1000)[С_E - log (σ)] позволил найти уравнения связи для нахождения скорости ползучести для заданного уровня напряжений 100 – 220 МПа в виде log (έ) = -19,355 + 9,17 (T/ 1000) log (σ) и пределов ползучести по заданным допускам на скорость ползучести 0,01 – 1 %/ч в виде log (σ) = 4,304 – 0,109 (T/ 1000) [20 - log (έ)]. Расчеты пределов ползучести и скоростей ползучести по парным моделям и моделям Холломона (Ларсена-Миллера) дают близкие результаты, но предпочтение следует отдать описанию по Холломону (Ларсену-Миллеру), поскольку эти модели учитывают все три варьируемых фактора. Приведены результаты контрольных испытаний по схеме растяжения в тех же условиях. Показано, что между результатами испытаний на сжатие и на растяжение при определении характеристик прочности существует линейная зависимость, выражаемая уравнением σ_0,2сж= 1,3σ_{0,2 раст} . При анализе ползучести установлено, что скорости ползучести для стали одной марки (09Х12В3БР) и одной плавки при разных способах нагружения (растяжении или сжатии) имеют сходные значения, в то время как скорости ползучести для стали одной марки (ЭП-823), но разных плавок даже при одном способе нагружения (сжатии) могут различаться на порядок.

1. Конструкционные материалы ядерных реакторов / Н.М. Бескоровайный, Б.А. Калин, П.А. Платонов, И.И. Чернов. – М.: Энергоатомиздат, 1995. – 704 с.

2. Солонин М.И., Решетников Ф.Г., Иолтуховский А.Г., Никулина А.В. Новые конструкционные материалы активных зон ядерных энергетических установок // Физика и химия обработки материалов. 2001. № 4. С. 17 – 27.

3. Физико-энергетический институт: летопись в судьбах / Под ред. А.В. Зродникова / ГНЦ РФ ФЭИ им. А.И. Лейпунского. – Обнинск: ГНЦ ФР ФЭИ, 2006. – 334 с.

4. Klueh R., Harries D. High chromium ferritic and martensitic steels for nuclear applications. – Bridgeport, USA: ASTM stock number: MONO3, 2001. – 217 p.

5. Yan Wei, Wang Wei, Shan Yiyin etc. 9-12Cr Heat-Resistant Steels. Engineering Materials. – Springer, 2015. –223 p.

6. Герасимов В.В., Монахов А.С. Материалы ядерной техники: Учебник для вузов. – 2-е изд., перераб и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1982. – 312 с.

7. Конструкционные материалы ядерных реакторов. В 2-х частях. Ч. II: Структура, свойства, назначения / Н.М. Бескоровайный, Ю.С. Беломытцев, М.Д. Абрамович и др. – М.: Атомиздат, 1977. – 256 с.

8. Ибрагимов Ш.Ш., Кирсанов В.В., Пятилетов Ю.С. Радиационные повреждения металлов и сплавов. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 240 с.

9. Klueh R.L. Elevated-temperature ferritic and martensitic steels and their application to future nuclear reactors. – OakRidge, Tennessee, USA, 2004. – 66 p.

10. Физическое материаловедение: Учебник для вузов. Т. 6. Конст рукционные материалы ядерной техники / Б.А. Калин, П.А. Платонов, Ю.В. Тузов и др. / Под общ. ред. Б.А. Калина. – М.: НИЯУ МИФИ, 2012. – 736 с.

11. Фрост Б. Твэлы ядерных реакторов / Пер. с англ. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 248 с.

12. Ланская К.А. Высокохромистые жаропрочные стали. – М.: Металлургия, 1976. – 216 с.

13. Химушин Ф.Ф. Нержавеющие стали. – М.: Металлургия, 1967. – 800 с.

14. Вотинов С.Н., Головин И.С., Колотушкин В.П. Проблемы разработки перспективных материалов для оболочек твэлов реакторов на быстрых нейтронах. – В сб.: Атомные электростанции России. 60 лет атомной промышленности. – М., 2005. С. 313 – 335.

15. Мальцев В.В., Огородов А.М., Росляков В.Ф. и др. Опыт эксплуатации твэлов и ТВС реактора БН-600. – В кн.: Труды Международной конференции по радиационному материаловедению. Алушта. 22 – 25 мая 1990 г. – Харьков: ХФТИ, 1990. Т. 4. С. 105 – 112.

16. Целищев А.В., Агеев В.С., Буданов Ю.П., Митрофанова Н.М. Разработка конструкционной стали для твэлов и ТВС быстрых реакторов // Атомная энергия. 2010. Т. 108. Вып. 4. С. 217 – 222.

17. Солонин М.И., Иолтуховский А.Г., Бибилашвили Ю.К. и др. Проблемы создания и модификации нержавеющих сталей для деталей активных зон ядерных реакторов на быстрых нейтронах и термоядерного реактора синтеза // Физика и химия обработки материалов. 2001. № 5. С. 5 – 13.

18. Dvoriashin A.M., Porollo S.I., KonobeevYu.V., Garner F.A. Influence of high dose neutron irradiation on microstructure of EP-450 ferritic–martensitic steel irradiated in three Russian fast reactors // Journal of Nuclear Materials. 2004. Vol. 329-333. P. 319 – 323.

19. Odette G.R., Alinger M.J., Wirth B.D. Recent developments in irradiation-resistant steels // Annual Review of Materials Research. 2008. Vol. 38. P. 471 – 503.

20. Kupriiyanova Y.E., Bryk V.V., Borodin O.V. etc. Use of double and triple-ion irradiation to study the influence of high levels of helium and hydrogen on void swelling of 8–12% Cr ferritic-martensitic steels // Journal of Nuclear Materials. 2016. Vol. 468. P. 264 – 273.

21. Русанов А.Е., Троянов В.М., Беломытцев Ю.С., Шулепин С.В. Разработка и исследование оболочечных сталей для твэлов ЯЭУ с тяжелым теплоносителем. – В кн.: Сб. докл. конф. «Тяжелые жидкометаллические теплоносители в ядерных технологиях». – Обнинск: ГНЦ РФ-ФЭИ, 1999. Т. 2. С. 673 – 685.

22. Roy A.K., Hossain M.K. Cracking of martensitic alloy EP-823 under controlled potential // Journal of Materials Engineering and Performance. 2006. Vol. 15. No. 3. P. 336 – 344.

23. Maloy S.A., Romero T., James M.R. Tensile testing of EP-823 and HT-9 after irradiation in STIP II // Journal of Nuclear Materials. 2006. Vol. 356. Issue 1-3. P. 56 – 61.

24. Voyevodin V.N., Karpov S.A., Kopanets I.E. etc. Influence of displacement damage on deuterium and helium retention in austenitic and ferritic-martensitic alloys considered for ADS service // Journal of Nuclear Materials. 2016. Vol. 468. P. 274 – 280.

25. Иолтуховский А.Г., Леонтьева-Смирнова М.В., Чернов В.М. и др. Разработка жаропрочной 12 %-ной хромистой стали 16Х12В2ТаР нового поколения с быстрым спадом наведенной активности для атомной энергетики России // Металловедение и термическая обработка металлов. 2002. № 11. С. 60 – 64.

26. Ioltukhovskiy A.G., Blokhin A.I., Budylkin N.I. etc. Material science and manufacturing of heat-resistant reduced-activation ferriticmartensitic steels for fusion // Journal of Nuclear Materials. 2000. Vol. 283-287. P. 652 – 656.

27. Ioltukhovskiy A.G., Leonteva-Smirnova M.V., Solonin M.I. etc. Heat resistant reduced activation 12% Cr steel of 16Cr12W2VTaB type-advanced structural material for fusion and fast breeder power reactors // Journal of Nuclear Materials. 2002. Vol. 307-311. P. 532 – 535.

28. Иолтуховский А.Г., Леонтьева-Смирнова М.В., Чернов В.М. и др. Разработка жаропрочной 12% хромистой стали 16Х12В2ФТаР нового поколения с быстрым спадом наведенной активности для нужд атомной энергетики России // Вопросы атомной науки и техники (Харьков). 2003. № 6. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (84). C. 60 – 64.

29. Nikitina A.A., Ageev V.S., Chukanov A.P. etc. R&D of ferritic–martensitic steel EP450 ODS for fuel pin claddings of prospective fast reactors // Journal of Nuclear Materials. 2012. Vol. 428. P. 117 – 124.

30. Klueh R. L., Ehrlich K., Abe F. Ferritic/martensitic steels: Promises and problems // Journal of Nuclear Materials. 1992. Vol. 191. P. 116 – 124.

31. Roy A. K., Kukatla S. R., Yarlagadda B. etc. Tensile properties of mar tensitic stainless steels at elevated temperatures // Journal of Mate rials Engineering and Performance. 2005. Vol. 14 (2). P. 212 – 218.

32. Porollo S.I., Dvoriashin A.M., KonobeevYu.V., Garner F.A. Microstructure and mechanical properties of ferritic/martensitic steel EP-823 after neutron irradiation to high doses in BOR-60 // Journal of Nuclear Materials. 2004. Vol. 329-333. P. 314 – 318.

33. Maloy Stuart A., Romero T., James M.R., Dai Y. Tensile testing of EP-823 and HT-9 after irradiation in STIP II // Journal of Nuclear Materials. 2006. Vol. 356. P. 56 – 61.

34. Марочник сталей и сплавов. – 4-е изд, перераб и доп. / Под общей ред. Ю.Г. Драгунова и А.С. Зубченко. – М.: Машиностроение, 2015. – 1216 с.

35. Леонтьева-Смирнова М.В., Агафонов А.Н., Ермолаев Г.Н. и др. Микроструктура и механические свойства малоактивируемой ферритно-мартенситной стали ЭК-181 (RUSFER-EK-181) // Перспективные материалы. 2006. № 6. C. 40 – 52.

36. Пат. 2211878 РФ. Малоактивируемая жаропрочная радиационностойкая сталь / М.И. Солонин, А.Г. Иолтуховский, М.В. Леонтьева-Смирнова и др.; опубл. 10.09.2003.

37. Zhongfei Ye, Wang Pei, Li Dianzhong etc. Effect of carbon and niobium on the microstructure and impact toughness of a high silicon 12 % Cr ferritic/martensitic heat resistant steel // Materials Science and Engineering A. 2014. Vol. 616. P. 12 – 19.

38. Зеленский Г.К., Иолтуховский А.Г., Леонтьева-Смирнова М.В. и др. Исследование коррозионной стойкости стальной оболочки твэла в свинцовом теплоносителе // Металловедение и термическая обработка металлов. 2007. № 11. С. 34 – 39.

39. Ye Zhongfei, Wang Pei, Li Dianzhong, Li Yiyi. M23C6 precipitates induced inhomogeneous distribution of silicon in the oxide formed on a high-silicon ferritic/martensitic steel // Scripta Materialia. 2015. Vol. 97. P. 45 – 48.

40. Справочник по свойствам материалов для перспективных реакторных технологий. Т. 5. Свойства реакторных сталей и сплавов / В.П. Бобков, А.И. Блохин, В.Н. Румянцев и др.; под ред. В.М. Поплавского. – М.: ИздАТ, 2014. – 584 с.

41. Ватулин А.В. Конструкционные и топливные материалы активных зон ядерных реакторов (состояние и направление развития). – В кн.: Топливный цикл ядерной энергетики России. Научные проб лемы и перспективы. – М.: ФГУП ВНИИНМ, 2006. С. 113 – 130.

42. Иолтуховский А.Г., Ланская К.А,. Беломытцев Ю.С., Саратовский Л.Н. Выбор режимов термообработки 12%-ной хромистой стали ЭП-823 применительно к условиям работы чехлов ТВС реактора БН-600 // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Атомное материаловедение. 1985. Вып. 2 (19). С. 65 – 70.

43. Бибилашвили Ю.К., Иолтуховский А.Г., Казеннов Ю.И. и др. Служебные характеристики 12 %-ных хромистых сталей применительно к условиям работы элементов активных зон реакторов со свинцовым и свинцово-висмутовым теплоносителями. – В кн.: Сб. докл. конф. «Тяжелые жидкометаллические теплоносители в ядерных технологиях». – Обнинск: ГНЦ РФ-ФЭИ, 1999. Т. 2. С. 782 – 791.

44. Иолтуховский А.Г., Леонтьева-Смирнова М.В., Агеев В.С. и др. Влияние исходного структурного состояния на склонность 12 % хромистой стали к охрупчиванию под облучением. – В кн.: Третья межотраслевая конф. по реакторному материаловедению. Дмитровград, 27 – 30 октября 1992 г. Т. 2. – Дмитровград: ГНЦ РФ-НИИАР, 1994. С. 56 – 68.

45. Хабаров В.С., Поролло С.И. Влияние исходной термообработки на механические свойства облученных ферритно-мартенситных сталей ЭИ-842, ЭП-450 и ЗП-823. – В кн.: Сб. докл. Пятой межотраслевой конф. по реакторному материаловедению. Дмитровград, 8 – 12 сентября 1997 г. Т. 2. Ч. 2. – Дмитровград: ГНЦ РФ-НИИАР, 1998. С. 123 – 135.

46. Розенберг В.М. Основы жаропрочности металлических материалов. – М.: Металлургия, 1973. – 328 с.

47. Штремель М.А. Прочность сплавов. Ч. 2: Деформация. – М.: ИД МИСиС, 1999. – 518 с.

48. Шлякман Б.М., Ямпольский О.Н., Ратушев Д.В. Один способ определения константы С в параметре Холломона // Металловедение и термическая обработка металлов. 2010. № 9 (663). С. 48 – 51.

49. Образцов С.М., Шимкевич А.Л. Бутстреп-идентификация экспоненциальной зависимости // Заводская лаборатория. Диагнос тика материалов. 2000. Т. 66. № 1. С. 62 – 64.

50. Беломытцев М.Ю., Мордашов С.В. Закономерности кратковременной ползучести стали Ст3 // Изв. вуз. Черная металлургия. 2015. № 11. С. 798 – 801.