Вплив розплавів свинцю та евтектики свинець−вісмут на втомну довговічність сталей мартенситного та аустенітного класів
Вивчено вплив розплавів свинцю та евтектики свинець–вісмут на втомні властивості сталей мартенситного 20Х13 і аустенітного 12Х18Н10Т класів у температурному інтервалі 200…450°С. Встановлено, що рідкометалеве середовище сприяє суттєвому зниженню втомної довговічності сталей, причому розплав евтектики...
Gespeichert in:
| Datum: | 2014 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainian |
| Veröffentlicht: |
Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України
2014
|
| Schriftenreihe: | Фізико-хімічна механіка матеріалів |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/134437 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Вплив розплавів свинцю та евтектики свинець−вісмут на втомну довговічність сталей мартенситного та аустенітного класів / О.І. Яськів, В.М. Федірко, І.С. Кухар // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2014. — Т. 50, № 1. — С. 96-102. — Бібліогр.: 13 назв. — укp. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-134437 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1344372025-02-09T11:34:37Z Вплив розплавів свинцю та евтектики свинець−вісмут на втомну довговічність сталей мартенситного та аустенітного класів Влияние расплавов свинца и эвтектики свинец–висмут на усталостную долговечность сталей мартенситного и аустенитного классов The influence of the melts of lead and eutectics lead-bithmus on fatigue life of martensitic and austenitic steels Яськів, О.І. Федірко, В.М. Кухар, І.С. Вивчено вплив розплавів свинцю та евтектики свинець–вісмут на втомні властивості сталей мартенситного 20Х13 і аустенітного 12Х18Н10Т класів у температурному інтервалі 200…450°С. Встановлено, що рідкометалеве середовище сприяє суттєвому зниженню втомної довговічності сталей, причому розплав евтектики діє негативніше. Втомні властивості сталі 12Х18Н10Т слабше змінюються під впливом розплавів свинцю та евтектики свинець–вісмут. Исследовано влияние расплавов свинца и эвтектики Pb−Bi на усталостные свойства сталей мартенситного 20Х13 и аустенитного 12Х18Н10Т классов в температурном диапазоне 200...450°С. Установлено, что жидкометаллическая среда способствует существенному снижению усталостной долговечности сталей, причем расплав эвтектики Pb−Bi оказывает более негативное воздействие. Усталостные свойства стали 12Х18Н10Т меньше изменяются под влиянием расплавов свинца и эвтектики Pb−Bi. The effect of molten lead and eutectic Pb−Bi on the fatigue properties of martensitic Fe–13Cr and austenitic Fe–18Cr–10Ni steels in the temperature range 200...450°С was investigated. It was found that the liquid metal environment contributes to a significant decrease in fatigue life of steels, in this case the eutectic Pb−Bi has a more negative impact. The fatigue properties of the austenitic steel Fe–18Cr–10Ni are less changed under the influence of lead and eutectic Pb−Bi melts. 2014 Article Вплив розплавів свинцю та евтектики свинець−вісмут на втомну довговічність сталей мартенситного та аустенітного класів / О.І. Яськів, В.М. Федірко, І.С. Кухар // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2014. — Т. 50, № 1. — С. 96-102. — Бібліогр.: 13 назв. — укp. 0430-6252 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/134437 669.295:621.795 uk Фізико-хімічна механіка матеріалів application/pdf Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Ukrainian |
| description |
Вивчено вплив розплавів свинцю та евтектики свинець–вісмут на втомні властивості сталей мартенситного 20Х13 і аустенітного 12Х18Н10Т класів у температурному інтервалі 200…450°С. Встановлено, що рідкометалеве середовище сприяє суттєвому зниженню втомної довговічності сталей, причому розплав евтектики діє негативніше. Втомні властивості сталі 12Х18Н10Т слабше змінюються під впливом розплавів свинцю та евтектики свинець–вісмут. |
| format |
Article |
| author |
Яськів, О.І. Федірко, В.М. Кухар, І.С. |
| spellingShingle |
Яськів, О.І. Федірко, В.М. Кухар, І.С. Вплив розплавів свинцю та евтектики свинець−вісмут на втомну довговічність сталей мартенситного та аустенітного класів Фізико-хімічна механіка матеріалів |
| author_facet |
Яськів, О.І. Федірко, В.М. Кухар, І.С. |
| author_sort |
Яськів, О.І. |
| title |
Вплив розплавів свинцю та евтектики свинець−вісмут на втомну довговічність сталей мартенситного та аустенітного класів |
| title_short |
Вплив розплавів свинцю та евтектики свинець−вісмут на втомну довговічність сталей мартенситного та аустенітного класів |
| title_full |
Вплив розплавів свинцю та евтектики свинець−вісмут на втомну довговічність сталей мартенситного та аустенітного класів |
| title_fullStr |
Вплив розплавів свинцю та евтектики свинець−вісмут на втомну довговічність сталей мартенситного та аустенітного класів |
| title_full_unstemmed |
Вплив розплавів свинцю та евтектики свинець−вісмут на втомну довговічність сталей мартенситного та аустенітного класів |
| title_sort |
вплив розплавів свинцю та евтектики свинець−вісмут на втомну довговічність сталей мартенситного та аустенітного класів |
| publisher |
Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України |
| publishDate |
2014 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/134437 |
| citation_txt |
Вплив розплавів свинцю та евтектики свинець−вісмут на втомну довговічність сталей мартенситного та аустенітного класів / О.І. Яськів, В.М. Федірко, І.С. Кухар // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2014. — Т. 50, № 1. — С. 96-102. — Бібліогр.: 13 назв. — укp. |
| series |
Фізико-хімічна механіка матеріалів |
| work_keys_str_mv |
AT âsʹkívoí vplivrozplavívsvincûtaevtektikisvinecʹvísmutnavtomnudovgovíčnístʹstalejmartensitnogotaaustenítnogoklasív AT fedírkovm vplivrozplavívsvincûtaevtektikisvinecʹvísmutnavtomnudovgovíčnístʹstalejmartensitnogotaaustenítnogoklasív AT kuharís vplivrozplavívsvincûtaevtektikisvinecʹvísmutnavtomnudovgovíčnístʹstalejmartensitnogotaaustenítnogoklasív AT âsʹkívoí vliânierasplavovsvincaiévtektikisvinecvismutnaustalostnuûdolgovečnostʹstalejmartensitnogoiaustenitnogoklassov AT fedírkovm vliânierasplavovsvincaiévtektikisvinecvismutnaustalostnuûdolgovečnostʹstalejmartensitnogoiaustenitnogoklassov AT kuharís vliânierasplavovsvincaiévtektikisvinecvismutnaustalostnuûdolgovečnostʹstalejmartensitnogoiaustenitnogoklassov AT âsʹkívoí theinfluenceofthemeltsofleadandeutecticsleadbithmusonfatiguelifeofmartensiticandausteniticsteels AT fedírkovm theinfluenceofthemeltsofleadandeutecticsleadbithmusonfatiguelifeofmartensiticandausteniticsteels AT kuharís theinfluenceofthemeltsofleadandeutecticsleadbithmusonfatiguelifeofmartensiticandausteniticsteels |
| first_indexed |
2025-11-25T21:55:12Z |
| last_indexed |
2025-11-25T21:55:12Z |
| _version_ |
1849801018289684480 |
| fulltext |
96
Ô³çèêî-õ³ì³÷íà ìåõàí³êà ìàòåð³àë³â. – 2014. – ¹ 1. – Physicochemical Mechanics of Materials
УДК 669.295:621.795
ВПЛИВ РОЗПЛАВІВ СВИНЦЮ ТА ЕВТЕКТИКИ СВИНЕЦЬ−ВІСМУТ
НА ВТОМНУ ДОВГОВІЧНІСТЬ СТАЛЕЙ МАРТЕНСИТНОГО
ТА АУСТЕНІТНОГО КЛАСІВ
О. І. ЯСЬКІВ, В. М. ФЕДІРКО, І. С. КУХАР
Фізико-механічний інститут ім. Г. В. Карпенка НАН України, Львів
Вивчено вплив розплавів свинцю та евтектики свинець–вісмут на втомні власти-
вості сталей мартенситного 20Х13 і аустенітного 12Х18Н10Т класів у температур-
ному інтервалі 200…450°С. Встановлено, що рідкометалеве середовище сприяє сут-
тєвому зниженню втомної довговічності сталей, причому розплав евтектики діє не-
гативніше. Втомні властивості сталі 12Х18Н10Т слабше змінюються під впливом
розплавів свинцю та евтектики свинець–вісмут.
Ключові слова: мартенситна та аустенітна сталі, розплави свинцю та евтек-
тики свинець–вісмут, втомна довговічність, рідкометалеве окрихчення.
Реалізація проектів ядерних енергетичних установок (ЯЕУ) нового поколін-
ня вимагає вирішення низки матеріалознавчих проблем щодо розроблення реак-
торних матеріалів [1−4]. Як основні конструкційні матеріали в ЯЕУ передбачають
використовувати сталі аустенітного i феритно-мартенситного класів. Незважаю-
чи на відому схильність сталей аустенітного класу (на основі системи Fe−Cr−Ni)
до розвитку вакансійної пористості під час високотемпературного нейтронного
опромінення, корпус реактора на швидких нейтронах типу БРЕСТ та деякі внут-
рішньокорпусні деталі пропонують виготовляти з хромонікелевої сталі, яка не
потребує додаткової термічної обробки після зварювання [5]. Сталі феритно-мар-
тенситного класу (на основі системи Fe−Cr) внаслідок високих термофізичних і
механічних характеристик, сумісності з основними охолоджувальними середови-
щами, а також нижчої чутливості до розбухання порівняно зі сталями аустенітно-
го класу, залишаються перспективними матеріалами для першої стінки і бланке-
ту реакторів синтезу, а також твелів, парогенераторів та конструктивних елемен-
тів насосів теплоносія ректорів на швидких нейтронах [6, 7].
Розплави важких металів (Рb, Ві та їх евтектична суміш Pb−Bi) завдяки сво-
їм ядерним і теплофізичним властивостям є кандидатними охолоджувальними
середовищами для реакторів на швидких нейтронах (типу БРЕСТ, СВБР, МБИР),
а також підкритичних гібридних систем, що керуються прискорювачем [8−10].
Проблему корозійної агресивності таких середовищ до сталей вирішують шля-
хом використання свинцевого теплоносія з контрольованим вмістом кисню, що
сприяє утворенню на поверхні сталей захисних оксидних плівок [11]. Іншою за-
грозою, що виникає під час експлуатації ядерних установок, є рідкометалеве
окрихчення (РМО), яке проявляється у погіршенні механічних властивостей кон-
струкційних матеріалів під час їх взаємодії з розплавами важких металів. На від-
міну від корозійних досліджень вивчення впливу рідкометалевих середовищ на
деградацію механічних властивостей сталей має несистематичний характер. Це
ускладнює встановлення механізмів виникнення та поширення тріщин, характеру
Контактна особа: О. І. ЯСЬКІВ, e-mail: oleh.yaskiv@ipm.lviv.ua
97
руйнування залежно від середовищ і температури експлуатації, не дає змоги дос-
товірно передбачати різноманітні прояви взаємодії між рідким і твердим метала-
ми, а відтак, прогнозувати поведінку конструкційних матеріалів. Тому вивчення
наукових аспектів впливу свинцевих розплавів (Рb, Рb−Bi) на механічні власти-
вості сталей феритно-мартенситного та аустенітного класів залишається актуаль-
ним для перспективного розвитку ядерних технологій в Україні та світі.
Мета роботи − встановити закономірності впливу розплавів свинцю та ев-
тектики свинець−вісмут на втомні властивості сталей мартенситного та аустеніт-
ного класів.
Методика. Досліджували зразки сталей мартенситного 20Х13 та аустенітно-
го 12Х18Н10Т класів з робочим перерізом 3 mm, вирізані з листового матеріалу
завтовшки 1 mm. Безпосередньо перед обробкою зразки промивали в бензині,
ацетоні, спирті, а потім висушували. Технологічний припуск, який після штампу-
вання становить 1 mm на сторону, видаляли шліфуванням. Робочу частину зраз-
ків доводили до необхідних розмірів і якості поверхні в твердосплавних шабло-
нах шліфувальним папером з нульовим розміром абразивного зерна. Перед ви-
пробуваннями зразки відпалювали у вакуумі за температури 1050°С впродовж
30 min.
Розподіл елементів та фрактографію зламів досліджували на сканувальному
електронному мікроскопі (Carl Zeiss AG – EVO-40 Series) з детектором для мік-
рорентгеноспектрального аналізу (EDX).
Втомні властивості матеріалів вивчали, визначаючи малоциклову втому,
тобто закономірності руйнування за циклічного деформування матеріалу в пруж-
но-пластичній області [12]. Досліджували за циклічного чистого згину на машині
УМДУ-01. Щоб визначити механічні властивості у металевих розплавах, вико-
ристовували спецобладнання для роботи з рідкими металами (барокамеру, устат-
кування для плавлення і заливання рідкометалевих середовищ). Результати ви-
пробувань на малоцикловий чистий згин подавали в координатах амплітуда де-
формації εа – кількість циклів до руйнування N. Сталі випробовували на втомну
довговічність за εа = 0,3; 0,5; 0,8 та 1% у розрідженому вакуумі (до 10–5 mmHg) за
кімнатної (20°С), а також підвищених до 200; 300; 350 і 450°С температур. Під
час випробувань у розплавах металів об’єм камери заповнювали спектрально-
чистим аргоном, концентрація кисню в якому не перевищувала 5⋅10–3 mmHg.
Перед випробами зразки лудили свинцем та евтектикою для кращого змочування
металів.
Результати досліджень. Сталь 20Х13. За кімнатної температури та амплі-
туди деформації εа = 0,3% зразок у межах діапазону малоциклової втоми не зруй-
нувався (кількість циклів до руйнування перевищила 130 000 cycles). Підвищення
амплітуди деформації (εа = 0,5%) призводить до зниження середньої кількості
циклів до руйнування майже на порядок (13050 cycles). Подальше збільшення εа
зумовлює зниження втомної довговічності матеріалу майже у п’ять разів при
0,8% (2886 cycles) та майже у дев’ять разів при 1,0% (1588 cycles).
Фрактографічний аналіз поверхонь руйнування за кімнатної температури
свідчить про крихко-в’язкий характер руйнування сталі (рис. 1а–с). Спостеріга-
ють поєднання волокнистої структури зламу та крихких фасеток сколювання
(рис. 1b). Виникають вторинні тріщини вздовж меж кристалітів (рис. 1с) та пер-
пендикулярно магістральній тріщині (рис. 1а). Крок втомних борозенок зі збіль-
шенням амплітуди деформації зростає.
Підвищення температури вакууму до 350°С призводить до зростання опору
втомі матеріалу. Так, за εа = 0,5% зразок не зруйнувався в межах малоциклової
області (до 100 000 cycles), тобто порівняно з кімнатною температурою за анало-
98
гічної амплітуди кількість циклів до руйнування зростає на порядок. За εа = 0,8%
зразок витримав 32436 cycles, що також майже на порядок вище, ніж за кімнатної
температури. За найбільшої амплітуди деформації εа = 1,0% зростання кількості
циклів до руйнування порівняно з кімнатною температурою менш істотне (у три
рази до 5920 cycles).
Фрактографічний аналіз поверхонь показує, що за підвищеної температури
частка в’язкої складової у структурі зламу зростає: проявляється річковий візеру-
нок, а фасеток крихкого сколювання не спостерігають (рис. 1d, e).
Рис. 1. Фрактограми по-
верхонь зламів сталі 20Х13
після втомних випробу-
вань у вакуумі за кімнатної
температури (а–с) та при
350°С (d, e): а − εа = 0,5%;
b, d – 0,8%, ×250;
с, e – 1,0%, ×1000.
Fig. 1. SEM images of Fe–13Cr steel after fracture in vacuum at room temperature (а–с)
and at 350°С (d, e): а − εа = 0.5%; b, d – 0.8%, ×250; с, e – 1.0%, ×1000.
У розплаві свинцю досліджували
за температур 350 і 450°С та εа = 0,5;
0,8 та 1,0%. Як бачимо з рис. 2, за се-
редніх та високих амплітуд деформа-
ції при 350°С свинцевий розплав нега-
тивно впливає на втомну довговіч-
ність сталі порівняно з випробування-
ми у вакуумі. Так, за εа = 0,5% зразок
руйнується після 55300 cycles, тобто в
області малоциклової втоми, тоді як
за аналогічної температури у вакуумі
зразок не зруйнувався. За вищих амп-
літуд деформації (0,8 і 1,0%) негатив-
на дія свинцю істотно посилюється:
втомна довговічність знижується біль-
ше ніж на два порядки (300 проти
32436 cycles) за 0,8% та майже у 50
разів (90 проти 5920 cycles) за 1,0%.
Підвищення температури розплаву до
450°С призводить до зміни характеру
впливу середовища на втомну довговічність матеріалу. Зокрема, за εа = 0,8% зра-
зок руйнується після 9500 cycles, тобто зростає опірність втомі порівняно як зі
свинцевим розплавом за нижчої температури 350°С (300 cycles), так і з вакуумом
за такої ж температури (6554 cycles) (рис. 2). Підвищення опору втомним наван-
таженням з ростом температури у свинцевому розплаві можна пов’язувати зі
Рис. 2. Кількість циклів до руйнування
сталі 20Х13 у вакуумі (1–3), свинці (4, 5),
евтектиці Pb−Bi (6, 7) залежно від ампліту-
ди деформації: 1 − за кімнатної темпера-
тури; 2, 4, 6 − 350°С; 3, 5, 7 − 450°С.
Fig. 2. Number of cycles to failure of Fe–13Cr
steel in vacuum (1–3), Pb (4, 5), Pb−Bi (6, 7)
versus strain amplitude: 1 − room tempera-
ture; 2, 4, 6 − 350°С; 3, 5, 7 − 450°С.
99
зниженням прояву РМО, максимум якого спостерігають саме біля температури
350°С [13].
У розплаві евтектики Pb−Bi досліджували за температур 200; 350 і 450°С та
амплітуд деформації 0,5; 0,8 і 1,0%. Наведена (рис. 2, крива 4) залежність довго-
вічності від деформації в евтектиці за температури 350°С. З неї випливає, що роз-
плав евтектики негативніше впливає на втомні властивості сталі 20Х13, ніж сви-
нець. Зокрема, при 350°С за εа = 0,5% зразки у евтектиці руйнуються за майже у
50 разів меншої кількості циклів, ніж у свинці. За більших амплітуд деформацій
(0,8 і 1,0%) ця різниця зменшується, проте є суттєвою: зразки руйнуються за май-
же вдвічі меншої кількості циклів, ніж у свинці та на два порядки меншої кіль-
кості циклів, ніж у вакуумі. Зазначимо, що за вищої температури розплаву евтек-
тики (450°С) втомні властивості матеріалу не відновлюються на відміну від свин-
цевого розплаву. Спостерігали лише несуттєве зростання кількості циклів до
руйнування порівняно з температурою розплаву 350°С за εа = 0,8% (134 проти
100 cycles), але це у 50–80 разів менше, ніж у вакуумі чи свинці. За нижчої темпе-
ратури розплаву евтектики (200°С) зростає втомна довговічність у 1,5 рази порів-
няно з температурою 350°С у розплаві. Тобто, температурний діапазон окрихчу-
вальної дії розплаву евтектики Pb−Bi становить 350…450°С, є ширший, ніж для
свинцю, а масштаб прояву вищий.
Наведена (рис. 3) фрактограма поверхні зламу зразка після випробувань в
евтектиці за εа = 0,5% та температури 350°С, на якій можна бачити фасетки ско-
лювання, що практично повторюють зерномежову структуру матеріалу і свідчать
про крихкий механізм руйнування у цих умовах.
Рис. 3. Фрактограма поверхні зламу сталі
20Х13 після втомних випробувань
у евтектиці Pb−Bi за температури 350°С
та амплітуди деформації 0,5%. ×500.
Fig. 3. SEM images of Fe–13Cr steel
after fracture in Pb−Bi at 350°С
and strain amplitude 0.5%. ×500.
Сталь 12Х18Н10Т. Випробовували за кімнатної температури та амплітуд
деформацій 0,8 і 1,0%. Середня кількість циклів до руйнування за εа = 0,8% −
49000 cycles. З підвищенням εа до 1% кількість циклів до руйнування знижується
майже у чотири рази − до 12564 cycles (рис. 4, крива 1).
Рис. 4. Кількість циклів до руйнування
сталі 12Х18Н10Т залежно від амплітуди
деформації: за кімнатної температури
у вакуумі (1); за температури 350°С
у вакуумі (2) та свинці (3).
Fig. 4. Number of cycles to failure of Fe–18Cr–10Ni steel versus strain amplitude:
room temperature (1); at temperature 350°С in vacuum (2) and in lead (3).
100
Підвищення температури вакууму призводить до зростання кількості циклів
до руйнування порівняно з кімнатною температурою: за εа = 0,8% при 350°С до
58780 cycles, і за 450°С до 71490 cycles. За εа = 1,0% при 350°С кількість циклів
до руйнування зростає майже удвічі порівняно з кімнатною температурою: 25252
проти 12564 cycles.
Фрактограми поверхонь руйнування сталі після втомного руйнування у ва-
куумі за εа = 0,8 і 1,0% за кімнатної температури, а також 350 і 450°С наведені на
рис. 5. З них слідує, що руйнування за усіх температур має в’язкий характер: на
фрактограмах помітні характерні втомні борозенки. За підвищеної температури
виразніше проявляється тонка волокниста структура поверхні зламу, причому
напрямок волокон переважно збігається з напрямком магістрального розвитку
тріщини (рис. 5а). Руйнування зразків має транскристалічний характер (рис. 5а).
З підвищенням температури зростає кількість деформаційних гребенів, що свід-
чить про пластифікацію матеріалу. Додатково до магістральної тріщини розвива-
ються вторинні тріщини (субтріщини) (рис. 5a, b). Розвиток однієї з них вздовж
деформаційного гребеня і перпендикулярно до магістральної тріщини добре
видно на рис. 5b.
Рис. 5. Фрактограми поверхонь зламів сталі 12Х18Н10Т
після втомних випробувань у вакуумі за амплітуди
деформації 0,8% (a, b) та 1,0% (c, d):
а − кімнатна температура; b – 450°С, ×1000;
c − кімнатна температура; d – 350°С, ×250.
Fig. 5. SEM images of Fe–18Cr–10Ni steel after fracture in vacuum
at strain amplitude 0.8% (a, b) and 1.0% (c, d): а − room temperature;
b – 450°С, ×1000; c − room temperature; d – 350°С, ×250.
За амплітуди деформації 1,0% з ростом температури істотніше збільшуються
в’язкі деформаційні гребені (рис. 5c, d). В основному поверхні зламів складають-
ся з великих, відносно плоских ділянок зі значною кількістю переривчастих ви-
кривлених смуг, які свідчать про суттєві пластичні деформації та в’язкий харак-
тер руйнування. З просуванням тріщини густина цих смуг збільшується (рис. 5d).
Руйнування зберігає переважно транскристалічний характер, хоча помітні мікро-
тріщини і вздовж меж зерен (рис. 5c), які можуть свідчити про присутність між-
кристалітної складової руйнування.
У розплаві свинцю експеримент проводили за температури 350°С та амплі-
туд деформації 0,3; 0,5; 0,8 і 1,0%. Як видно з рис. 4, свинцевий розплав негатив-
но впливає на втомну довговічність сталі. За малих амплітуд деформації (0,3 і
0,5%) кількість циклів без руйнування зразків у розплаві свинцю перевищила діа-
пазон малоциклової втоми. Це свідчить, що за невеликих знакозмінних наванта-
жень сталь 12Х18Н10Т виявляє високу витривалість до циклічних деформацій у
розплаві свинцю. За вищої амплітуди деформації εа = 0,8% втомна довговічність
знижується майже у три рази (20974 проти 58780 cycles), а за найбільшої (εа = 1,0%)
кількість циклів до руйнування знижується майже у чотири рази порівняно з ви-
пробуваннями у вакуумі (6700 проти 25250 cycles).
101
Фрактографічний аналіз поверхонь зламів зразків після випробувань у свин-
ці підтверджує зміну характеру руйнування. У свинцевому розплаві кількість де-
формаційних гребенів зменшується, а крихких фасеток сколювання − зростає
(рис. 6). Середній крок втомних борозенок порівняно з вакуумом зростає. Транс-
зеренний характер руйнування зберігається. Все це може бути проявом комбіно-
ваного в’язко-крихкого механізму втомного руйнування сталі 12Х18Н10Т у свин-
цевому розплаві.
Рис. 6. Фрактограми поверхонь зламів сталі 12Х18Н10Т після втомних випробувань
у свинці за температури 350°С та амплітуд деформацій 0,8 (а) та 1,0% (b). ×250.
Fig. 6. SEM images of Fe–18Cr–10Ni steel after fracture in lead at temperature 350°С
and strain amplitudes 0.8 (а) and 1.0% (b). ×250.
У розплаві евтектики свинець−вісмут експериментували за амплітуди дефор-
мації 1,0% при 200 та 350°С. Отримані результати свідчать про якісно тотожний,
але кількісно відмінний від свинцю характер впливу розплаву на втомні власти-
вості сталі. Зокрема, при 200°С кількість циклів до руйнування зменшується у 4 ра-
зи порівняно з випробуванням за кімнатної температури (3140 проти 12564 cycles).
За температури 350°С кількість циклів до руйнування в евтектиці майже удвічі
нижча, ніж у свинці (3007 проти 6700 cycles) та у вісім разів нижча, ніж у вакуумі
(3007 проти 25250 cycles). Отримані результати свідчать, що розплав евтектики
свинець−вісмут негативніше впливає на втомні властивості сталі 12Х18Н10Т,
ніж розплав свинцю. Причому якщо у вакуумі з ростом температури середовища
втомна довговічність матеріалу підвищується, то у розплавах важких металів во-
на не змінюється (так, в евтектиці 3140 cycles при 200°С і 3007 cycles при 350°С).
ВИСНОВКИ
Вивчено вплив розплавів свинцю та евтектики свинець–вісмут на втомні
властивості сталей мартенситного 20Х13 та аустенітного 12Х18Н10Т класів у
температурному інтервалі 200...450°С.
Рідкометалеве середовище (як свинець, так і евтектика свинець−вісмут)
сприяє суттєвому зниженню втомної довговічності сталі структурних класів,
причому розплав евтектики діє негативніше.
Для аустенітної сталі 12Х18Н10Т окрихчувальний ефект рідкометалевого
середовища менше виражений, ніж для сталі мартенситного класу 20Х13.
РЕЗЮМЕ. Исследовано влияние расплавов свинца и эвтектики Pb−Bi на усталост-
ные свойства сталей мартенситного 20Х13 и аустенитного 12Х18Н10Т классов в темпера-
турном диапазоне 200...450°С. Установлено, что жидкометаллическая среда способствует
существенному снижению усталостной долговечности сталей, причем расплав эвтектики
Pb−Bi оказывает более негативное воздействие. Усталостные свойства стали 12Х18Н10Т
меньше изменяются под влиянием расплавов свинца и эвтектики Pb−Bi.
102
SUMMARY. The effect of molten lead and eutectic Pb−Bi on the fatigue properties of mar-
tensitic Fe–13Cr and austenitic Fe–18Cr–10Ni steels in the temperature range 200...450°С was
investigated. It was found that the liquid metal environment contributes to a significant decrease
in fatigue life of steels, in this case the eutectic Pb−Bi has a more negative impact. The fatigue
properties of the austenitic steel Fe–18Cr–10Ni are less changed under the influence of lead and
eutectic Pb−Bi melts.
1. Безкоровайный Н. М., Иолтуховский А. Г. Конструкционные материалы и жидкоме-
таллические теплоносители. − М.: Энергоатомиздат, 1983. − 168 с.
2. Материаловедение жидкометаллических систем термоядерных реакторов / Г. М. Гряз-
нов, В. А. Евтихин, Л. П. Завяльский и др. − М.: Энергоатомиздат, 1989. − 222 с.
3. Ehrlich K., Bloom E.E., and Kondo T. International strategy for fusion materials develop-
ment // J. Nucl. Mater. − 2000. − 283. − P. 79−88.
4. Ehrlich K. Materials research towards a fusion reactor // Fusion Engng. and Design. − 2001.
− 56. − P. 71−82.
5. Коррозионные и механические свойства конструкционных материалов реактора / В. Я. Аб-
рамов, С. Н. Бозин, В. Н. Леонов и др. // Вопросы атомной науки и техники. Сер.:
Обеспечение безопасности. АЭС. Ядерные технологии для энергетики будущего.
− 2004. − Вып. 4. − С. 219–223.
6. Ferritic/martensitic steels − overview of recent results / R. L. Klueh, D. S. Gelles, S. Jitsuka-
wa et al. // J. Nucl. Mater. − 2002. − 307–311. −P. 455−465.
7. A potential new ferritic/martensitic steel for fusion applications / R. L. Klueh, N. Hashimoto,
R. F. Buck, and M. A. Sokolov // Ibid. − 2000. − 283–287. − P. 697−701.
8. Comparative assessment of thermophysical and thermohydraulic characteristics of lead,
lead-bismuth and sodium coolants for fast reactors // IAEA-TECDOC-1289. − Vienna, 2002.
− 72 p.
9. Design of an Actinide Burning, Lead or Lead-Bismuth Cooled Reactor That Produces Low
Cost Electricity // INEEL/EXT-01-01376. MIT-ANP-PR-083. FY-01 Annual Report.
− 2001. – P. 181−223.
10. Thermalhydraulic and corrosion challenges for the target module of an accelerator-driven
system (ADS) / J. U. Knebel, X. Cheng, G. Muller et al. // Third Int. topical meeting on
nuclear application of accelerator technology AccApp’99 (November 14−18). − Long
Beach, USA, 1999. − P. 367−376.
11. Barbier F., and Rusanov A. Corrosion behaviours of steels in flowing lead-bismuth // J.
Nucl. Mater. – 2001. – 296. – P. 231–236.
12. Микромашины для испытания материалов на малоцикловую усталость методом чисто-
го изгиба / Г. Г. Максимович, Б. М. Савчин, С. М. Кудлак, Е. М. Лютый. − Львов,
1977. – препринт № 6. – 42 с.
13. TWIN ASTIR: First tensile results of T91 and 316L steel after neutron irradiation in contact
with liquid lead-bismuth eutectic / J. Van den Bosch, G. Coen, R. W. Bosch et al. // J. Nucl.
Mater. − 2010. − 398. − P. 68–72.
Одержано 22.05.2013
|