Вплив розплавів свинцю та евтектики Pb–Bi на механічні властивості феритно-мартенситної сталі 20Х13.
Досліджено вплив рідкометалевого середовища на механічні властивості сталі феритно-мартенситного класу 20Х13 у температурному інтервалі 300…600°С. Показано, що розплави свинцю та евтектики свинець−вісмут сприяють зниженню тимчасового опору руйнуванню сталі 20Х13 на 10…20% порівняно з вакуумом, причо...
Gespeichert in:
| Datum: | 2012 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainian |
| Veröffentlicht: |
Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України
2012
|
| Schriftenreihe: | Фізико-хімічна механіка матеріалів |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/139628 |
| 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 Pb–Bi на механічні властивості феритно-мартенситної сталі 20Х13. / О.І. Яськів, В.М. Федірко // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2012. — Т. 48, № 3. — С. 46-52. — Бібліогр.: 15 назв. — укp. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-139628 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1396282025-02-23T17:37:00Z Вплив розплавів свинцю та евтектики Pb–Bi на механічні властивості феритно-мартенситної сталі 20Х13. Влияние расплавов свинца и эвтектики Pb–Bi на механические свойства феррито-мартенситной стали 20Х13 The influence of lead melts and Pb–Bi eutectics on mechanical properties of 20X13 ferritic-martensitic stee Яськів, О.І. Федірко, В.М. Досліджено вплив рідкометалевого середовища на механічні властивості сталі феритно-мартенситного класу 20Х13 у температурному інтервалі 300…600°С. Показано, що розплави свинцю та евтектики свинець−вісмут сприяють зниженню тимчасового опору руйнуванню сталі 20Х13 на 10…20% порівняно з вакуумом, причому зі збільшенням температури цей ефект посилюється. Виявлено вплив рідкометалевого середовища на здатність сталі 20Х13 до пластичної деформації за підвищених температур. Встановлено, що сталь 20Х13 є схильною до рідкометалевого окрихчування в діапазоні температур 350…450°С, яке слабше проявляється у свинці і суттєвіше у евтектиці свинець−вісмут. Зниження відносного видовження порівняно з вакуумом залежить від середовища і у Pb становить 11% за температури 450°С, а в розплаві евтектики Pb−Bi − 15…30% за температур 350…400°С. Исследовано влияние жидкометаллической среды на механические свойства стали феррито-мартенситного класса 20Х13 в температурном диапазоне 300...600°С. Показано, что расплавы свинца и эвтектики свинец-висмут способствуют снижению временного сопротивления разрушению стали 20Х13 на 10...20% по сравнению с вакуумом, причем при высших температурах этот эффект более существенен. Выявлено влияние жидкометаллической среды на способность стали 20Х13 к пластической деформации при повышенных температурах. Установлено, что сталь 20Х13 является склонной к жидкометаллическому охрупчиванию в диапазоне температур 350...450°С, которое проявляется менее существенно в свинце и более существенно в эвтектике свинец–висмут. Снижение относительного удлинения по сравнению с вакуумом зависит от среды и в Pb составляет 11% при температуре 450°С, а в расплаве эвтектики Pb–Bi − 15...30% при температурах 350...400°С. The effect of liquid metal environment on the mechanical properties of ferritic-martensitic steel (Fe–13Cr) in the temperature range of 300...600°C was investigated. It is shown that lead and lead-bismuth eutectic melts reduce the ultimate strength of steel by 10...20% as compared with the vacuum and this effect is more significant at higher temperatures. The effect of liquid metal environment on the plastic deformation of Fe–13Cr steel at elevated temperatures was revealed. It was established that Fe–13Cr steel is prone to liquid metal embrittlement in the temperature range of 350...450°C both in Pb and more significantly in Pb–Bi eutectic. Reduction in plasticity depends on the melts and in Pb it is about 11% at 450°C, and in Pb–Bi melt – 15...30% in the temperature range of 350...400°C. 2012 Article Вплив розплавів свинцю та евтектики Pb–Bi на механічні властивості феритно-мартенситної сталі 20Х13. / О.І. Яськів, В.М. Федірко // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2012. — Т. 48, № 3. — С. 46-52. — Бібліогр.: 15 назв. — укp. 0430-6252 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/139628 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 |
Досліджено вплив рідкометалевого середовища на механічні властивості сталі феритно-мартенситного класу 20Х13 у температурному інтервалі 300…600°С. Показано, що розплави свинцю та евтектики свинець−вісмут сприяють зниженню тимчасового опору руйнуванню сталі 20Х13 на 10…20% порівняно з вакуумом, причому зі збільшенням температури цей ефект посилюється. Виявлено вплив рідкометалевого середовища на здатність сталі 20Х13 до пластичної деформації за підвищених температур. Встановлено, що сталь 20Х13 є схильною до рідкометалевого окрихчування в діапазоні температур 350…450°С, яке слабше проявляється у свинці і суттєвіше у евтектиці свинець−вісмут. Зниження відносного видовження порівняно з вакуумом залежить від середовища і у Pb становить 11% за температури 450°С, а в розплаві евтектики Pb−Bi − 15…30% за температур 350…400°С. |
| format |
Article |
| author |
Яськів, О.І. Федірко, В.М. |
| spellingShingle |
Яськів, О.І. Федірко, В.М. Вплив розплавів свинцю та евтектики Pb–Bi на механічні властивості феритно-мартенситної сталі 20Х13. Фізико-хімічна механіка матеріалів |
| author_facet |
Яськів, О.І. Федірко, В.М. |
| author_sort |
Яськів, О.І. |
| title |
Вплив розплавів свинцю та евтектики Pb–Bi на механічні властивості феритно-мартенситної сталі 20Х13. |
| title_short |
Вплив розплавів свинцю та евтектики Pb–Bi на механічні властивості феритно-мартенситної сталі 20Х13. |
| title_full |
Вплив розплавів свинцю та евтектики Pb–Bi на механічні властивості феритно-мартенситної сталі 20Х13. |
| title_fullStr |
Вплив розплавів свинцю та евтектики Pb–Bi на механічні властивості феритно-мартенситної сталі 20Х13. |
| title_full_unstemmed |
Вплив розплавів свинцю та евтектики Pb–Bi на механічні властивості феритно-мартенситної сталі 20Х13. |
| title_sort |
вплив розплавів свинцю та евтектики pb–bi на механічні властивості феритно-мартенситної сталі 20х13. |
| publisher |
Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України |
| publishDate |
2012 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/139628 |
| citation_txt |
Вплив розплавів свинцю та евтектики Pb–Bi на механічні властивості феритно-мартенситної сталі 20Х13. / О.І. Яськів, В.М. Федірко // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2012. — Т. 48, № 3. — С. 46-52. — Бібліогр.: 15 назв. — укp. |
| series |
Фізико-хімічна механіка матеріалів |
| work_keys_str_mv |
AT âsʹkívoí vplivrozplavívsvincûtaevtektikipbbinamehaníčnívlastivostíferitnomartensitnoístalí20h13 AT fedírkovm vplivrozplavívsvincûtaevtektikipbbinamehaníčnívlastivostíferitnomartensitnoístalí20h13 AT âsʹkívoí vliânierasplavovsvincaiévtektikipbbinamehaničeskiesvojstvaferritomartensitnojstali20h13 AT fedírkovm vliânierasplavovsvincaiévtektikipbbinamehaničeskiesvojstvaferritomartensitnojstali20h13 AT âsʹkívoí theinfluenceofleadmeltsandpbbieutecticsonmechanicalpropertiesof20x13ferriticmartensiticstee AT fedírkovm theinfluenceofleadmeltsandpbbieutecticsonmechanicalpropertiesof20x13ferriticmartensiticstee |
| first_indexed |
2025-11-24T04:33:54Z |
| last_indexed |
2025-11-24T04:33:54Z |
| _version_ |
1849644899179167744 |
| fulltext |
46
Ô³çèêî-õ³ì³÷íà ìåõàí³êà ìàòåð³àë³â. – 2012. – ¹ 3. – Physicochemical Mechanics of Materials
УДК 669.295:621.795
ВПЛИВ РОЗПЛАВІВ СВИНЦЮ ТА ЕВТЕКТИКИ Pb−Bi НА МЕХА-
НІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ФЕРИТНО-МАРТЕНСИТНОЇ СТАЛІ 20Х13
О. І. ЯСЬКІВ, В. М. ФЕДІРКО
Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, Львів
Досліджено вплив рідкометалевого середовища на механічні властивості сталі фе-
ритно-мартенситного класу 20Х13 у температурному інтервалі 300…600°С. Показа-
но, що розплави свинцю та евтектики свинець−вісмут сприяють зниженню тимчасо-
вого опору руйнуванню сталі 20Х13 на 10…20% порівняно з вакуумом, причому зі
збільшенням температури цей ефект посилюється. Виявлено вплив рідкометалевого
середовища на здатність сталі 20Х13 до пластичної деформації за підвищених тем-
ператур. Встановлено, що сталь 20Х13 є схильною до рідкометалевого окрихчуван-
ня в діапазоні температур 350…450°С, яке слабше проявляється у свинці і суттєвіше
у евтектиці свинець−вісмут. Зниження відносного видовження порівняно з ваку-
умом залежить від середовища і у Pb становить 11% за температури 450°С, а в роз-
плаві евтектики Pb−Bi − 15…30% за температур 350…400°С.
Ключові слова: феритно-мартенситна конструкційна сталь, розплави свинцю та
евтектики свинець−вісмут, короткочасна міцність та пластичність, рідкометале-
ве окрихчування.
Матеріалознавчі та технологічні проблеми розроблення і створення реактор-
них матеріалів − одні з основних на шляху реалізації проектів ядерних енерге-
тичних установок нового покоління [1−4]. Як основні конструкційні матеріали
ядерних енергетичних установок передбачають використовувати сталі аустеніт-
ного i феритно-мартенситного класів зі швидким спадом наведеної активності.
Суттєвим недоліком сталей аустенітного класу (на основі системи Fe−Cr−Ni) є
розвиток вакансійної пористості під час високотемпературного нейтронного оп-
ромінення. Сталі феритно-мартенситного класу (на основі системи Fe−Cr) є перс-
пективними матеріалами для першої стінки і бланкету реакторів синтезу, а також
твелів швидких ректорів. Їм властиві високі термофізичні і механічні характерис-
тики, вони демонструють прийнятну сумісність з основними охолоджувальними
середовищами, а також низьку чутливість до розбухання і гелієвого окрихчу-
вання порівняно зі сталями аустенітного класу [5, 6]. Розплави важких металів
(Рb, Ві, Pb−Bi та їх евтектична суміш) завдяки своїм ядерним і теплофізичним
властивостям є кандидатними охолоджувальними середовищами реакторів на
швидких нейтронах (типу BREST) i підкритичних гібридних систем Accelerator
Driven Systems (ADS), що керуються прискорювачем [7−9].
Серйозною загрозою, яка виникає під час експлуатації ядерних установок, є
негативний вплив розплавів важких металів на механічні властивості конструк-
ційних матеріалів. Однією з причин погіршення механічних характеристик є рід-
кометалеве окрихчування (РМО). Дослідження впливу рідкометалевих середовищ
на деградацію механічних властивостей сталей переважно накопичувальні і не-
систематичні, а це ускладнює узагальнення інформації про механізми виникнення
та поширення тріщин, характер руйнування залежно від середовищ і температури
Контактна особа: О. І. ЯСЬКІВ, e-mail: oleh.yaskiv@ipm.lviv.ua
47
експлуатації та не дає змоги достовірно передбачати різноманітні прояви взаємо-
дії між рідким і твердим металами, а відтак, прогнозувати поведінку конструк-
ційних матеріалів. Слід зазначити, що дослідження адсорбційного впливу роз-
плавів на механічні властивості твердих металів під статичним та циклічним на-
вантаженнями, спрямовані на розкриття природи РМО і прогнозування поведінки
різних металевих матеріалів під навантаженням у розплавах, започаткували вчені
Фізико-механічного інституту ім. Г. В. Карпенка у шестидесятих роках минулого
сторіччя [10, 11]. Вагомим результатом цих досліджень стала феноменологічна мо-
дель РМО [12, 13], яка непогано узгоджується з експериментальними даними і до
сьогодні залишається однією з найпереконливіших в описі явища РМО. Однак ви-
вчення науково-технологічних аспектів впливу свинцевих розплавів (Рb, Рb−Bi) на
механічні властивості сталей феритно-мартенситного класу залишається актуальним
для перспективного розвитку ядерних технологій в Україні.
Мета роботи − встановити закономірності впливу розплавів свинцю та ев-
тектики свинець−вісмут на механічні властивості конструкційної сталі феритно-
мартенситного класу 20Х13.
Методика. Досліджували зразки сталі феритно-мартенситного класу 20Х13
з робочим перерізом 2 mm, вирізані з листового матеріалу завтовшки 1 mm. Ста-
леві листи у стані постачання в результаті вальцювання і травлення мають по-
верхневий дефектний шар, який перед дослідженнями знімали механічним полі-
руванням, використовуючи абразивний папір та алмазні пасти, і доводили до
шорсткості поверхні Ra = 0,4 µm. Безпосередньо перед обробкою зразки промива-
ли в бензині, ацетоні, спирті, а потім висушували. Перед випробуваннями їх від-
палювали у вакуумі за температури 1050°С впродовж 30 min, щоб зняти напру-
ження, які виникли під час виготовлення та полірування.
Досліджували мікроструктуру приповерхневих шарів та матриці сталей до і
після випробувань на “прямих” шліфах, використовуючи металографічний мік-
роскоп “Neophot-2”, оснащений камерою та комп’ютерною приставкою з фікса-
цією зображення у цифровому вигляді. Травили шліфи реактивом: 1 vol.% НF +
+ 1 vol.% Н2NO3 + 3 vol.% гліцерину. Висвітлювали перетравлені шліфи за допо-
могою реактиву: 5 ml НF + 95 ml Н2NO3. Розподіл елементів, мікроструктуру та
фрактографію зламів досліджували на сканувальному електронному мікроскопі
(Carl Zeiss AG – EVO 40 Series) з детектором для мікрорентгеноспектрального
аналізу (EDX). Якісний характер розподілу елементів втілення під час насичення
оцінювали за зображенням поверхні шліфів у вторинних та відбитих електронах
скануванням електронним пучком площі 100×100 µm.
Фазовий склад поверхні сталей визначали за допомогою рентгенівського фа-
зового аналізу на дифрактографі ДРОН-3.0 у CuKα-випромінюванні з фокусуван-
ням за схемою Брегга−Бретано. Напруга на аноді рентгенівської трубки станови-
ла 30 kV за струму 20 mА. Отримавши під час автоматичного управління через
комп’ютерні програми (пакети програмного забезпечення Powder Cell-2.3 [14],
Sietronix, Full Prof) дифракційний спектр зразка у вигляді набору значень міжпло-
щинної віддалі dі та відносної інтенсивності Іі, його ідентифікували, зіставляючи
з картотекою JCPDS-ASTM [15].
Механічні випроби за активного навантаження одновісним розтягом прово-
дили на розривній машині Р-0.5 у вакуумі (4⋅10–2 Pа) та у розплавах свинцю і ев-
тектики свинець−вісмут. Швидкість деформації зразків 5⋅10–4 s–1. Діаграму роз-
тягу отримували в координатах “видовження–навантаження”. Щоб визначити
механічні властивості у металевих розплавах, використовували спецобладнання
для роботи з рідкими металами (барокамера, устаткування для плавлення і зали-
вання рідкометалевих середовищ). Досліджували за кімнатної температури
48
(20°С) та в інтервалі температур 350…600°С. Простір над зразками за випроб у
розплавах заповнювали спектрально чистим аргоном, концентрація кисню в яко-
му не перевищувала 5⋅10–3 mm Hg. Перед випробами зразки лудили свинцем та
евтектикою для кращого змочування металів.
Результати та їх обговорення.
Дифракційний рентгеноструктурний
аналіз поверхні зразків сталі після їх
розриву показав у фазовому складі ли-
ше рефлекси α-Fe, причому їх поло-
ження та форма не змінюються з підви-
щенням температури випробування та
зміною середовища, а рефлекси нових
фаз відсутні (рис. 1). Тобто випробу-
вання на розтяг зразків у рідкометале-
вих середовищах, в тому числі за підви-
щених температур, не впливає на фазо-
во-структурний склад сталі 20Х13.
Проаналізуємо зміну тимчасового
опору руйнуванню зразків залежно від
температури у різних середовищах. Гра-
ниця міцності сталі 20Х13 за кімнатної
температури (20°С) становить 495 MPа.
Нагрівання у вакуумі до температури
350°С призводить до суттєвого знижен-
ня міцності металу (210 МPа). Подаль-
ше підвищення температури (до 600°С)
супроводжується зниженням границі міцності: за 600°С її значення майже утричі
менше, ніж за 350°С (табл. 1).
Таблиця 1. Границі міцності σВ та текучості σ0,2 сталі 20Х13 у вакуумі
та розплавах свинцю і евтектики
Т, °С
20 300 350 400 450 500 550 600 Середовище
σВ / σ0,2, MPa
Вакуум 495/350 – 215/155 205/128 179/120 172/105 – 93/75
Pb – – 214/150 186/145 178/105 135/110 106/87 82/70
Pb–Bi – 160/137 200/150 187/148 180/146 140/110 115/65 83/63
Про характер впливу розплавів на границю міцності свідчать температурні
залежності коефіцієнтів знеміцнення матеріалу в досліджуваних середовищах
(рис. 2а). Коефіцієнт K визначали як співвідношення міцності матеріалу у роз-
плаві до міцності у вакуумі за відповідних температур: K = σMe/σvac.
У розплаві свинцю випробовували за температур 350…600°С. Середовище
свинцю якісно не змінює температурну залежність границь міцності і текучості.
За температур 350 і 450°С границі міцності у розплаві та у вакуумі майже одна-
кові (рис. 2а, крива 1). За температури 400°С міцність знижується на 8% порівня-
но з вакуумом. Максимальне її зниження у розплаві свинцю (до 25%) спостеріга-
ли в інтервалі температур 500…600°С.
У розплаві евтектики Pb–Bi випробовували за температур 300…600°С. Зако-
номірність залежності границь міцності і текучості матеріалу від температури є
майже аналогічна до отриманої у свинці (табл. 1). Мінімальне зниження границі
Рис. 1. Дифрактограми зразків сталі
20Х13 у вихідному стані (1) при 20°C
та після витримки у вакуумі (2) та у роз-
плаві свинцю (3) за температури 450°С.
Fig. 1. Diffraction patterns of Fe–13Cr steel
in as-received condition (1) at 20°C
and after exposure to vacuum (2)
and to lead (3) at 450°C.
49
міцності – за температури 450°С. За інших досліджуваних температур спостері-
гали суттєвіше зниження границі міцності − на 11…12% за 350 і 400°С, і на
11…20% в інтервалі 500…600°С (рис. 2а, крива 2).
Рис. 2. Температурна залежність коефіцієнта K впливу середовища на границю міцності (a)
та пластичність (b) сталі 20Х13 у розплавах свинцю (1) та евтектики Pb–Bi (2).
Fig. 2. Temperature dependence of K coefficient of environment influence
on ultimate strength (a) and plasticity (b) of Fe–13Cr in Pb (1) and Pb–Bi (2) melts.
Ці результати свідчать, що досліджувані рідкометалеві середовища знеміц-
нюють метал порівняно з вакуумом.
Проаналізуємо зміну відносного видовження зразків залежно від температу-
ри у різних середовищах (табл. 2). За кімнатної температури відносне видовжен-
ня матеріалу становить 13,4%. З підвищенням температури пластичність сталі
після випробувань у вакуумі суттєво падає: за 350°С вона становить ∼9,8%. По-
дальше зростання температури до 400°С не впливає на деформаційну здатність
матеріалу. Незначне зниження відносного видовження (до 9,1%) спостерігають за
температури 450°С. Подальше підвищення температури зумовлює поступове від-
новлення та зростання деформаційної здатності сталі: при 600°С пластичність
становить 11,3%. Проте значення, властиві матеріалу за кімнатної температури, у
досліджуваному інтервалі температур не досягаються.
Таблиця 2. Відносне видовження δ сталі 20Х13 у вакуумі
та розплавах свинцю і евтектики
Т, °С
20 300 350 400 450 500 550 600 Середовище
δ, %
Вакуум 13,4 – 9,7 9,6 9,1 9,9 – 11,2
Pb – 8,7 9,5 8,0 11,5 12,1 11,1
Pb–Bi – 9,4 8,1 6,6 8,0 11,6 12,2 9,6
Фрактографічний аналіз поверхонь руйнування сталі 20Х13 у вакуумі свідчить,
що руйнування відбувається за в’язким механізмом (рис. 3). У центральній зоні
спостерігають утворення та коагуляцію пустот, що призводить до формування на
поверхні зламу ямкової мікроструктури − з глибокими чашками та сіткою високих
гребенів (рис. 3а). На ділянках, що прилягають до поверхні зразків, видно численні
в’язкі гребені за практично відсутніх крихких фасеток сколювання (рис. 3b).
Температурні залежності коефіцієнта K, який характеризує відносну зміну
пластичності за впливу розплавів стосовно отриманої у вакуумі, наведені на рис. 2b.
За температур 350…450°С відносне видовження у розплаві свинцю нижче, ніж
після випробувань у вакуумі (рис. 2b, крива 1). Зокрема, за температури 450°С
50
спостерігають зниження відносного видовження (з 9,1% до 8%), що становить
11% зниження пластичності порівняно з отриманим у вакуумі. Це може бути
проявом рідкометалевого окрихчування. З подальшим підвищенням температури
пластичність відновлюється швидше, ніж за вакуумного середовища (максималь-
не відносне видовження за 550°С становить 12,1%). Лише за температури 600°С
пластичність зразків у вакуумі та свинці стає практично однаковою.
Рис. 3. Сканувальна електронна фрактографія зламу сталі 20Х13 після розриву
у вакуумі за температури 350°С у центральній зоні (а) і при поверхні (b).
Fig. 3. SEM of Fe–13Cr steel surface after fracture at 350°C in vacuum
in the rupture area (a) and near the surface (b).
Випробування зразків сталі 20Х13 у розплаві евтектики свинець−вісмут да-
ли дещо інші результати. Зберігається закономірність зниження відносного ви-
довження з підвищенням температури порівняно з кімнатною температурою
(табл. 2). Проте, на відміну від випробувань у свинці, тут в інтервалі температур
300…400°С спостерігають істотніше зниження відносного видовження (рис. 2b,
крива 2): за 400°С воно досягає мінімального значення (6,5%), що становить 30%
зниження порівняно з випробуванням у вакуумі; далі (від температури 450°С)
деформаційна здатність металу збільшується і в інтервалі 450…600°С стає майже
ідентичною до тієї, що й у розплаві свинцю. Це свідчить, що за температур
300…450°С у розплавах Pb та Pb−Bi проявляється рідкометалеве окрихчування
сталі 20Х13 і суттєвіше у евтектиці (за температур 350 і 400°С), ніж у свинці (за
температур 350 і 450°С).
Аналіз діаграм розтягу зразків сталі 20Х13 у вакуумі та розплавах підтвер-
джує вищевикладені закономірності (рис. 4). Зокрема, розтяг у вакуумі за темпе-
ратур 350; 400 і 500°С виявляє в’язкий характер та значні енергозатрати на руй-
нування матеріалу. У розплаві свинцю за цих температур зберігається в’язкий ха-
рактер руйнування, а у розплаві евтектики, за винятком 350 і 400°С, зразки руй-
нуються за менших деформацій (рис. 4а, b). Причому різкий обрив кривих розтя-
гу за цих умов свідчить про незначну енергоємність розвитку тріщини у вказано-
му температурному інтервалі, а відтак, про крихкий або ж комбінований в’язко-
крихкий механізм руйнування. За температур понад 450°С здатність до пластич-
ного деформування сталі у розплаві евтектики відновлюється (рис. 4с).
Фрактографічний аналіз поверхонь зламів зразків після розриву у розплаві
евтектики свинець−вісмут підтверджує в’язко-крихкий перехід у характері руй-
нування. У приповерхневій зоні зламів зразків, розірваних за температур 350°С
та 400°С, помітні гладкі фасетки (рис. 5а), а також віялоподібний візерунок, ут-
ворений поверхнями відколювання (рис. 5b). Це свідчить, що у цьому середовищі
крихкий характер руйнування або ж його поєднання з в’язким. З підвищенням
температури до 500°С характер руйнування змінюється з крихкого на в’язкий –
на поверхні зламів з’являються численні глибокі ямки (рис. 5с).
51
Рис. 4. Діаграми одновісного розтягу
(напруження–деформація) зразків
сталі 20Х13 у вакуумі (1), свинці (2)
та евтектиці Pb−Bi (3) за температур
350°С (а); 400°С (b) і 500°С (с).
Fig. 4. Tension (stress–strain) diagrams
of Fe–13Cr steel in vacuum (1), Pb (2)
and Pb−Bi (3) at temperatures 350°C (a),
400°C (b) and 500°C (c).
Рис. 5. Сканувальна електронна фракто-
графія зламу сталі 20Х13 після розриву
у розплаві евтектики Pb−Bi за температур
350°С (а); 400°C (b) і 500°C (c).
Fig. 5. SEM of the surface of Fe–13Cr steel
after fracture in Pb−Bi melt at temperatures
350°C (a); 400°C (b) and 500°C (c).
ВИСНОВКИ
Вивчення закономірностей впливу розплавів свинцю та евтектики свинець–
вісмут на механічні властивості сталі феритно-мартенситного класу 20Х13 в ін-
тервалі температур 300…600°С показує, що розплави Pb та Pb–Bi сприяють зни-
женню тимчасового опору руйнуванню сталі на 10…20% порівняно з отриманим
у вакуумі, причому за вищих температур цей ефект суттєвіший. Сталь 20Х13 є
схильною до рідкометалевого окрихчування за температур 350…450°С, яке слаб-
ше проявляється у свинці і сильніше у евтектиці свинець–вісмут. Зниження від-
носного видовження порівняно з вакуумом у свинці становить 11% за температу-
52
ри 450°С, у розплаві евтектиці свинець–вісмут – 15…30% за температур 350…400°С.
РЕЗЮМЕ. Исследовано влияние жидкометаллической среды на механические свой-
ства стали феррито-мартенситного класса 20Х13 в температурном диапазоне 300...600°С.
Показано, что расплавы свинца и эвтектики свинец-висмут способствуют снижению времен-
ного сопротивления разрушению стали 20Х13 на 10...20% по сравнению с вакуумом, при-
чем при высших температурах этот эффект более существенен. Выявлено влияние жидко-
металлической среды на способность стали 20Х13 к пластической деформации при повы-
шенных температурах. Установлено, что сталь 20Х13 является склонной к жидкометалли-
ческому охрупчиванию в диапазоне температур 350...450°С, которое проявляется менее су-
щественно в свинце и более существенно в эвтектике свинец–висмут. Снижение относи-
тельного удлинения по сравнению с вакуумом зависит от среды и в Pb составляет 11% при
температуре 450°С, а в расплаве эвтектики Pb–Bi − 15...30% при температурах 350...400°С.
SUMMARY. The effect of liquid metal environment on the mechanical properties of fer-
ritic-martensitic steel (Fe–13Cr) in the temperature range of 300...600°C was investigated. It is
shown that lead and lead-bismuth eutectic melts reduce the ultimate strength of steel by 10...20%
as compared with the vacuum and this effect is more significant at higher temperatures. The
effect of liquid metal environment on the plastic deformation of Fe–13Cr steel at elevated tem-
peratures was revealed. It was established that Fe–13Cr steel is prone to liquid metal embrittle-
ment in the temperature range of 350...450°C both in Pb and more significantly in Pb–Bi eutec-
tic. Reduction in plasticity depends on the melts and in Pb it is about 11% at 450°C, and in
Pb–Bi melt – 15...30% in the temperature range of 350...400°C.
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 // JNM. − 2000. − 283. − P. 79−88.
4. Ehrlich K. Materials research towards a fusion reactor // Fusion Eng. and Design. − 2001.
− 56. − P. 71−82.
5. Ferritic/martensitic steels − overview of recent results / R. L. Klueh, D. S. Gelles, S. Jitsu-
kawa, et al. // JNM. − 307. −P. 455−465.
6. 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.
7. Comparative assesstment of thermophysical and thermohydraulic characteristics of lead, lead-
bismuth and sodium coolants for fast reactors / IAEA-TECDOC-1289. − Vienna, 2002. − 72 p.
8. 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. – October. – P. 181−223.
9. Thermalhydraulic and corrosion challenges for the target module of an accelerator-driven
system (ADS) / J. U. Knebel, X. Cheng, G. Muller, et al. // Third international topical
meeting on nuclear application of accelerator technology AccApp’99 (November 14−18).
− USA: Long Beach, 1999. − P. 367−376.
10. Чаевский М. И., Бичуя А. Л. Об устранении разупорчняющегося эффекта под воздей-
ствием евтектики Pb–Bi путем уменьшения скорости деформации // Физ.-хим. механи-
ка материалов. − 1969. − № 5. − С. 107−109.
11. Чаевский М. И., Шатинский В. Ф., Попович В. В. Роль кислорода в адсорбционном
понижении работоспособности стальних образцов, находящихся в контакте с распла-
вом // Там же. − 1965. − № 6. − С. 654−658.
12. Попович В. В., Дмуховская И. Г. Жидкометаллическое охрупчивание деформируемых
металлов. – Львов: Физико-механический ин-т им. Г. В. Карпенко, 1983. – 68 с.
13. Дмуховская И. Г., Попович В. В. Феноменологическая модель охрупчивания металлов
в условиях адсорбционного воздействия жидкометаллических сред // Физ.-хим. меха-
ника материалов. – 1982. – № 6. – С. 5–13.
14. Kraus W. and Nolze G. Powder Cell – a Program for the Representation and Manipulation of
Crystal Structures and Calculation of the Resulting X-ray Powder Patterns // J. Appl. Cryst.
– 1996. – 29. – P. 301−303.
15. Powder Difraction File 1974: Search manual alphabetial listing and search section of fre-
quently uncounted phases. Inorganic. – Philadelphia, 1974.
Одержано 22.02.2012
|