Применение особенностей ультразвуковых резонансных колебаний для оценки размеров фазовых включений в образцах сплавов на основе хром–железо

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.

1. 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. С. 17 – 23.

2. 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.

3. Баранов В.М., Кудрявцев Е.М. Применение ультразвукового резонансного метода для контроля изделий малых размеров // Дефектоскопия. 1979. № 9. С. 25 – 32.

4. Кузьмин Е.В., Петраковский Г.А. Завадский З.А. Физика магнитоупорядоченных веществ. – Новосибирск: Наука, 1976. – 287 с.

5. Постников В.С. Внутреннее трение в металлах. – М.: Металлургия, 1974. – 352 с.

6. Работнов Ю.Н. Механика деформируемого твердого тела. – М.: Наука, 1988. – 712 с.

7. Эльсгольц Л.Э. Дифференциальные уравнения и вариационное исчисление. – М.: Наука, 1969. – 424 с.

8. Апаев Б.А. Магнитный фазовый анализ. – М.: Металлургия, 1976. – 280 с.

9. 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.

10. Салли А., Брэндз Э. Хром / Пер. с англ. / Под ред. В.А. Боголюбова. – М.: Мир, 1971. – 557 с.

11. Трефилов В.И., Мильман В.И., Фирстов С.А. Физические основы прочности тугоплавких металлов. – Киев: Наукова думка, 1975. – 315 с.

12. 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.

13. Криштал М.А., Головин С.А. Внутреннее трение и структура металлов. – М.: Металлургия, 1976. – 375 с.

14. Головин С.А. Головин И.С. Механическая спектроскопия релаксации Снуковского типа // Металловедение и термическая обработка металлов. 2012. № 5. С. 3 – 11.

15. 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.

16. MagalasL.B., MalinowskiT. Measurement techniques of the logarithmic decrement // Solid State Phenom. 2003. Vol. 89. P. 247 – 260.

17. 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.

18. Magalas L.B. Mechanical spectroscopy – fundamentals // Sol. St. Phen. 2003. Vol. 89. P. 1 – 22.

19. 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.

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. P. 15 – 20.

21. Magalas L.B., Darinskii B.M. Mechanical spectroscopy and relaxation phenomena in solids // Solid State Phenomena. 2008. Vol. 115. P. 1 – 6.

22. Magalas L.B. Determination of the logarithmic decrement in mechanical spectroscopy // Solid State Phenomena. 2006. Vol. 115. P. 7 – 14.

23. 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.

24. Magalas L.B. Mechanical spectroscopy – fundamentals // Solid State Phenomena. 2003. Vol. 89. P. 1 – 22.

25. 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.

26. 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.

27. 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.

28. 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.

29. 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.

30. 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.

31. 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.

32. Etienne S., Elkoun S., David L., Magalas L.B. Mechanical spectroscopy and other relaxation spectroscopies // Solid State Phenomena. 2003. Vol. 89. P. 31 – 66.

33. Magalas L.B., Piłat A. Zero-point drift in resonant mechanical spectroscopy // Solid State Phenomena. 2006. Vol. 115. P. 285 – 292.

34. 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.

35. 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.

36. 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.