Изменение структуры и текстуры в объеме оболочечных труб из сплавов на основе циркония при ионно-плазменной обработке поверхности
При использовании рентгеновских методов изучена послойная неоднородность структуры и текстуры в оболочечных трубах из сплава Zr-1%Nb, подвергнутых обработке высокотемпературной импульсной гелиевой плазмой с энергией ионов не выше нескольких кэВ. В том случае, когда обработка не приводит к расплавл...
Saved in:
| Published in: | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Date: | 2004 |
| Main Authors: | , , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2004
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/79538 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Изменение структуры и текстуры в объеме оболочечных труб из сплавов на основе циркония при ионно-плазменной обработке поверхности / Ю.А. Перлович, М.М. Грехов, М.Г. Исаенкова, В.В. Фесенко, Б.А. Калин, В.Л. Якушин // Вопросы атомной науки и техники. — 2004. — № 3. — С. 59-65. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859768414166319104 |
|---|---|
| author | Перлович, Ю.А. Грехов, М.М. Исаенкова, М.Г. Фесенко, В.В. Калин, Б.А. Якушин, В.Л. |
| author_facet | Перлович, Ю.А. Грехов, М.М. Исаенкова, М.Г. Фесенко, В.В. Калин, Б.А. Якушин, В.Л. |
| citation_txt | Изменение структуры и текстуры в объеме оболочечных труб из сплавов на основе циркония при ионно-плазменной обработке поверхности / Ю.А. Перлович, М.М. Грехов, М.Г. Исаенкова, В.В. Фесенко, Б.А. Калин, В.Л. Якушин // Вопросы атомной науки и техники. — 2004. — № 3. — С. 59-65. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Вопросы атомной науки и техники |
| description | При использовании рентгеновских методов изучена послойная неоднородность структуры и текстуры в оболочечных
трубах из сплава Zr-1%Nb, подвергнутых обработке высокотемпературной импульсной гелиевой плазмой с энергией
ионов не выше нескольких кэВ. В том случае, когда обработка не приводит к расплавлению поверхностного слоя, по
всей толщине стенки трубы (0,9 мм) происходит существенное изменение исходной текстуры, свидетельствующее о
дальнодействии ионного облучения. Плавление поверхностного слоя при увеличении плотности потока энергии ионов
подавляет эффект дальнодействия. Структурные изменения в трубе ограничиваются искажением кристаллической решетки, связанным с протеканием α→β→α-фазовых превращений в слое толщиной до 40 мкм. Наиболее вероятным механизмом, ответственным за эффект дальнодействия ионного облучения, является распространение ударных волн, возникающих при торможении ионов.
При використанні рентгеновських методів вивчена пошарова неоднорідність структури та текстури в оболонкових
трубах із сплаву Zr-1% Ni, підданих обробці високотемпературною імпульсною гелієвою плазмою з енергією іонів не
вище декількох кеВ. У випадку, коли обробка не приводить до розплавлення поверхневого шару по всій товщині стінки
труби (0,9 мм) має місто суттєва зміна вихідної текстури, що вказує на дальнодію іонного промінення. Розплавлення
поверхневого шару при збільшенні щільності потоку енергії іонів пригнічує ефект дальнодії. Структурні зміни в трубі
обмежуються викривленням кристаличної гратки, пов`язаним із протіканням α→β→α фазових перетворень у шарі
товщиною до 40 мкм. Найбільш вірогідним механізмом, який відповідає за ефект дальнодії іонного опромінення, є
розповсюдження ударних хвиль, які виникають при гальмуванні іонів.
A layer-by-layer structure and texture inhomogeneity of Zr-1%Nb cladding tubes, treated by the high-temperature pulse He
plasma, was studied by use of X-ray methods. An energy of ions did not exceed several keV. When the treatment does not cause
melting of the surface layer, essential changes of the initial texture take place over the whole thickness of the tube wall (0.9 mm),
testifying in such a way about a long-range action of ion irradiation. Melting of the surface layer by an increase of the ion energy
flow density represses the long-range effect, so that structure changes in the tube are restricted by distortion of the crystalline lattice due to development of α→β→α phase transformations within the layer of 40 µm thick. The most probable mechanism, responsible for the long-range effect of ion irradiation, is spreading of blast waves, arising by braking of ions.
|
| first_indexed | 2025-12-02T06:10:40Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК: 539.1.043: 539.26
ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРЫ И ТЕКСТУРЫ В ОБЪЕМЕ ОБОЛОЧЕЧ-
НЫХ ТРУБ ИЗ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ЦИРКОНИЯ
ПРИ ИОННО-ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКЕ ПОВЕРХНОСТИ
Ю.А. Перлович, М.М. Грехов, М.Г. Исаенкова, В.В. Фесенко, Б.А. Калин, В.Л. Якушин
Московский инженерно-физический институт (Государственный университет),
г. Москва, Россия
При использовании рентгеновских методов изучена послойная неоднородность структуры и текстуры в оболочечных
трубах из сплава Zr-1%Nb, подвергнутых обработке высокотемпературной импульсной гелиевой плазмой с энергией
ионов не выше нескольких кэВ. В том случае, когда обработка не приводит к расплавлению поверхностного слоя, по
всей толщине стенки трубы (0,9 мм) происходит существенное изменение исходной текстуры, свидетельствующее о
дальнодействии ионного облучения. Плавление поверхностного слоя при увеличении плотности потока энергии ионов
подавляет эффект дальнодействия. Структурные изменения в трубе ограничиваются искажением кристаллической ре-
шетки, связанным с протеканием α→β→α-фазовых превращений в слое толщиной до 40 мкм. Наиболее вероятным ме-
ханизмом, ответственным за эффект дальнодействия ионного облучения, является распространение ударных волн, воз-
никающих при торможении ионов.
ВВЕДЕНИЕ
Уже более 25 лет назад было установлено, что
облучение металлических материалов ионами с
энергией до 10 кэВ способно вызывать значитель-
ные изменения структуры и текстуры этих материа-
лов в слое, толщина которого на несколько порядков
величины превышает толщину слоя торможения
ионов [1-3]. Тогда как ионы указанной энергии пол-
ностью затормаживаются в приповерхностном слое
толщиной менее 10 нм, рентгеновская съемка облу-
ченной поверхности обнаруживает существенное
изменение дифракционных параметров при толщине
слоя половинного ослабления рентгеновского излу-
чения в исследуемых материалах, равной обычно
нескольким микронам. Поскольку получаемые рент-
геновские данные по большей части относятся
именно к этому слою, заключаем, что ионное облу-
чение вызывает структурные изменения в слое, тол-
щина которого, по крайней мере, в несколько сот раз
превышает толщину слоя торможения ионов. Более
того, при рентгеновском изучении металлических
фольг толщиной 0,3…0,5 мм было обнаружено, что
эффекты ионного облучения, наблюдаемые на про-
тивоположных сторонах фольги, взаимно сопостави-
мы, – cледовательно, слой структурных изменений
оказывается толще слоя торможения ионов на 4–5
порядков величины. Это явление получило название
эффекта дальнодействия ионного облучения.
Хотя существование эффекта дальнодействия в
настоящее время сомнений не вызывает, его систе-
матическое экспериментальное исследование до сих
пор не проведено, а ответственные за него механиз-
мы остаются дискуссионными. Между тем, в усло-
виях широкого распространения промышленных
технологий, использующих ионное облучение для
поверхностного легирования, практическая важ-
ность сопряженных с ним побочных эффектов оче-
видна.
В данной работе приводятся результаты послой-
ного рентгеновского изучения структурных и тек-
стурных изменений в объеме оболочечных труб из
сплава Zr-1%Nb под воздействием ионно-плазмен-
ной обработки. Стоящая перед атомной энергетикой
задача повышения степени выгорания топлива мо-
жет быть решена лишь при условии продления сро-
ка безаварийной эксплуатации оболочечных труб
благодаря повышению их коррозионной стойкости.
Как один из предполагаемых способов достижения
этой цели рассматривалась обработка поверхности
трубы высокотемпературной импульсной плазмой
(ВТИП-обработка), основным компонентом которой
является направленный поток ионов гелия. Изучение
эффекта дальнодействия ионного облучения на при-
мере оболочечных труб из циркониевого сплава
представляло особый интерес, связанный с тем, что
происходящие в этом сплаве при нагреве и последу-
ющем охлаждении фазовые превращения α→β→α
сказываются на текстуре поверхностного слоя и иг-
рают роль индикатора послойного распределения
температуры.
МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВА-
НИЯ
ВТИП-обработку трубчатых образцов проводили
на специально сконструированной установке «Дес-
на». Фрагмент трубы располагается в центре цилин-
дрической камеры, по радиусам которой движется
плазменный поток, так что направление бомбарди-
рующих ионов перпендикулярно поверхности трубы
в каждой ее точке. Использованные оболочечные
трубы из сплава Zr-1%Nb имели диаметр 9,13 мм
при толщине стенки 0,9 мм. Режимы применявшей-
ся ВТИП-обработки, включая вид ионов, напряже-
ние зарядки конденсаторов U, плотность энергии по-
тока плазмы Q и количество импульсов N, приведе-
ны в таблице. Режим Б отличается от режима А зна-
чительно большей плотностью энергии потока плаз-
мы, а также большим числом импульсов, вследствие
чего в случае обработки по режиму Б поверхность
трубы носит следы интенсивного повсеместного
плавления, тогда как в случае обработки по режиму
А подобные следы оказываются лишь локальными и
_______________________________________________________________________________
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2004. № 3.
Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (85), с. 59-65.
59
слабо выраженными. Удобства ради режимы А и Б
будем называть «мягким» и «жестким» соответ-
ственно.
Использованные режимы ВТИП-обработки
Маркировка
режима
Тип
ионов
Режим обработки
U, кВ Q,
Дж/см2
N
А Нe+ 10,8 28,0 3
Б Нe+ 13,0 50,0 5
В результате заключительной термообработки
(580оС, 3 ч), применяемой согласно принятой техно-
логии, оболочечная труба в состоянии поставки ока-
зывается рекристаллизованной. ВТИП-обработке
подвергали фрагменты этой трубы длиной 50 мм.
Кроме того, «мягкой» ВТИП-обработке подвергался
фрагмент оболочечной трубы, находившейся в де-
формированном состоянии.
Послойное изучение структуры и текстуры обо-
лочечных труб, подвергнутых ВТИП-обработке,
проводили при использовании рентгеновских мето-
дов, предоставляющих широкие возможности
уточнения процессов, протекающих в материале под
воздействием ионного облучения. В числе этих ме-
тодов были следующие.
1. Фазовый анализ.
2. Анализ профиля рентгеновской линии с целью
определения ее углового положения 2θhkl, задава-
емого межплоскостным расстоянием dhkl в кри-
сталлической решетке отражающих зерен, и уг-
ловой полуширины Вhkl, характеризующей раз-
дробленность зерен и искаженность их решетки
[4].
3. Текстурный анализ по методу построения пря-
мых полюсных фигур [5].
4. Измерение упругих макронапряжений σ по мето-
ду sin2ψ [4].
Регистрация дифракционного спектра и профиля
рентгеновских линий, а также измерение макро-
напряжений проводились на дифрактометре ДРОН-
3М, съемка текстуры – на дифрактометре ДРОН-3,
снабженном автоматической текстурной приставкой.
Компьютер, соединенный с дифрактометрами, с по-
мощью комплекса программ осуществлял управле-
ние процессом рентгеновской съемки, накопление
получаемых данных и их обработку.
Для оценки субструктурного состояния материа-
ла и определения макронапряжений использовали
рентгеновскую линию (21.3), расположенную в слу-
чае излучения Fe Kα под углом 2θ = 117.3o. Эта ли-
ния формируется в результате отражения от пирами-
дальных плоскостей, наименее чувствительных к
структурной анизотропии, которая свойственна кри-
сталлической решетке ГПУ.
При определении остаточных макронапряжений
sin2ψ-методом применяли поворот трубчатого образ-
ца вокруг осевого направления, получая в результате
величину макронапряжений, действующих в танген-
циальном направлении σТ. Следует отметить, что в
результате стравливания поверхностного слоя в ис-
следуемом образце происходит перераспределение
макронапряжений. Величина σn’, найденная для n-го
слоя, который оказался на поверхности образца по-
сле травления, не соответствует величине напряже-
ния σn, действовавшего в этом слое до травления.
Однако поскольку речь идет о стравливании только
тонких слоев толщиной 10…20 мкм, будем считать,
что сопряженное с ним перераспределение напряже-
ний принципиально не меняет характера кривых σ
Т(t) на рис.1,в и что σn’≈σn.
Рис. 1. Послойное изменение угловой полуширины B1/2 рентгеновской линии (21.3) – (а), межплоскостного
расстояния d21.3 – (б) и величины тангенциальных напряжений σT – (в)в оболочечных трубах из сплава
Zr - 1%Nb, подвергнутых ВТИП-обработке по разным режимам: – режим А, ◊ – режим Б
Для рентгеновского изучения текстуры оболочеч-
ной трубы из нее электроискровым методом выреза-
ли образцы размером 3×3 мм. На этих образцах про-
водили изучение как внешней, так и внутренней по-
верхностей трубы. Строили текстурные полюсные
фигуры (ПФ) (0001) и {11.0}, изображающие рас-
пределение базисных и призматических нормалей
соответственно. По ПФ(0001) вычисляли интеграль-
ные текстурные параметры Кернса fR, fT и fL [6], ис-
пользуемые в промышленной практике для характе-
_______________________________________________________________________________
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2004. № 3.
Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (85), с. 59-65.
60
ристики текстуры труб из циркониевых сплавов и
равные проекциям распределения базисных норма-
лей на радиальное (R), тангенциальное (Т) и осевое
(L) направления трубы.
При послойном рентгеновском изучении струк-
туры и текстуры труб последовательные слои удаля-
ли с помощью химического травления поверхности.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
На рис. 1 изображено послойное изменение угло-
вой полуширины В рентгеновской линии (21.3) (а),
межплоскостного расстояния d21.3 (б) и величины ма-
кронапряжений σТ, действующих в тангенци-альном
направлении (в). Там же указан исходный уровень
значений параметров d21.3 и В, зафик-сированный в
оболочечной трубе перед ВТИП-обработкой.
На рис. 2 нанесены ПФ(0001) для ряда последо-
вательных слоев в трубах, обработанных по режи-
мам А (а) и Б (б), включая ПФ для поверхностного
слоя трубы в исходном состоянии, а также для того
же слоя после ионно-плазменной модификации по-
верхности по обоим режимам. Угловой радиус по-
строенных ПФ равен 80о. Выбор слоев, ПФ которых
приведены на рис.2, таков, что демонстрирует весь
спектр текстур, сформировавшихся в трубе при
ВТИП-обработке.
На рис. 3 для труб, обработанных по обоим ре-
жимам, показано послойное изменение интеграль-
ных текстурных параметров Кернса; указаны также
уровни, соответствующие значениям этих парамет-
ров в исходной трубе.
а б
_______________________________________________________________________________
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2004. № 3.
Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (85), с. 59-65.
61
6 мкм
Поверхность
Исходное
состояние
Исходное
состояние
Поверхность
24 мкм
36 мкм
64 мкм100 мкм
46 мкм
(0001) (0001)
L L
Рис. 2. ПФ(0001) для ряда последовательных слоев оболочечных труб, обработанных по режимам А (а) и Б
(б), включая ПФ для поверхностного слоя трубы в исходном состоянии.
Угловой радиус построенных ПФ – 80о
а б
Рис. 3. Послойное изменение интегральных текстурных параметров Кернса для α-Zr в оболочечных трубах,
подвергнутых ВТИП-обработке: а – режим А; б – режим Б; ο – fR, ◊ – fT, ∆ – fL
На рис. 4 показаны ПФ(0001) для внутренней по-
верхности исходной (а) и обработанных (б,в) труб;
рядом с ПФ приведены подсчитанные по ним ве-
личины параметров Кернса.
С целью анализа влияния α→β→α фазового
превращения на текстуру α-Zr в оболочечной трубе
была изучена также текстура трубы, подвергнутой
ВТИП-обработке по режиму А в прокатанном состо-
янии. На рис. 5,а приведена ПФ(0001) для поверх-
ностного слоя этой трубы.
а б в
fR = 0.565 fR = 0.553 fR = 0.461
fT = 0.322 fT = 0.346 fT = 0.394
fL = 0.113 fL = 0.101 fL = 0.145
Рис. 4. ПФ(0001) для внутренней поверхности исходной (а) и обработанных труб: (б) – режим А; (в) – ре-
жим Б. Рядом с ПФ приведены подсчитанные по ним величины параметров Кернса
Основной экспериментальный результат, явству-
ющий из представленных данных, состоит в том, что
в случае «мягкой» ВТИП-обработки, не сопряжен-
ной с расплавлением поверхностного слоя трубы, ее
текстура претерпевает существенное изменение по
всей толщине стенки, т.е. вплоть до слоев, отстоя-
щих от обрабатываемой поверхности на 0,9 мм (см.
рис.2,4). При этом, наблюдаемое изменение тексту-
ры, требующее протекания коллективных дислока-
ционных процессов, не связано с искажением кри-
сталлической решетки α-Zr, локализованным при
«мягкой» обработке в поверхностном слое толщи-
ной не более 40 мкм. «Жесткая» ВТИП-обработка,
вызывающая интенсивное плавление поверхностно-
го слоя, не приводит к изменению текстуры внутрен-
них слоев трубы, хотя сопряжена с большим искаже-
_______________________________________________________________________________
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2004. № 3.
Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (85), с. 59-65.
62
L LL
нием кристаллической решетки, чем «мягкая» обра-
ботка.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Чтобы понять природу послойной неоднородно-
сти, наблюдаемой в трубах после ВТИП-обработки,
необходимо уточнить, чем определяются рассматри-
ваемые параметры рентгеновской линии. Повышен-
ная полуширина рентгеновских линий поверх-
ностного слоя свидетельствует о дисперсности эле-
ментов его субструктуры и искаженности их кри-
сталлической решетки. Каждый из ионов, тормозя-
щихся в кристаллической решетке, вызывает ее ло-
кальное расплавление в зоне термического пика и
быструю кристаллизацию, что нарушает це-
лостность исходного фрагмента решетки. При до-
статочно высокой плотности энергии потока плазмы
расплавленным оказывается весь поверхностный
слой обрабатываемого образца. Быстрая кристалли-
зация расплавленного слоя с сопутствующими зака-
лочными эффектами и β→α-фазовое превращение
при дальнейшем охлаждении обусловливают фор-
мирование субструктуры, характеризующейся повы-
шенной полушириной рентгеновских линий. В слу-
чае обработки по режиму Б, максимальная полуши-
рина линии (21.3) существенно выше, чем в случае
обработки по режиму А (см. рис.1,а), что подтвер-
ждает определяющее влияние разогрева поверхност-
ных слоев под воздействием ионного облучения на
раздробленность и искаженность их структуры по-
сле охлаждения. Толщина слоя с искаженной струк-
турой в трубе, обработанной по режиму Б, вдвое
больше, чем в трубе, обработанной по режиму А: 80
мкм и 40 мкм соответственно.
Анализ текстурных изменений, вызванных
ВТИП-обработкой в поверхностных слоях трубы,
позволяет уточнить, в какой мере раздробленность и
искаженность их структуры, выявляемая при анали-
зе профиля рентгеновской линии, связана с протека-
нием в этих слоях β→α-фазового превращения.
Дело в том, что протекание фазовых превращений
при нагреве и охлаждении материала вполне опреде-
ленным образом сказывается на его текстуре и мо-
жет быть однозначно установлено по особенностям
ее изменения. Такая возможность основывается на
следующем.
Основной фазой в сплаве Zr-1%Nb является α-Zr
с кристаллической решеткой ГПУ, начинающий
переходить при нагреве выше 610°С в β-Zr с ОЦК-
решеткой. Фазовые превращения α→β→α проте-
кают при соблюдении следующего ориентационного
соотношения: (0001)α || {011}β, [11.0] α || <111>β [7].
Поскольку в ГПУ-элементарной ячейке только одна
базисная плоскость (0001), а в ОЦК 6 плоскостей
{011}, прохождение цикла фазовых превращений α
→β→α должно быть сопряжено с «размножением»
ориентаций зерен α-Zr. Это означает, что в объеме,
претерпевшем нагрев выше температуры фазового
превращения и последующее охлаждение, каждой
исходной ориентации базисной плоскости отвечают
их 24 производных ориентации [8]. На рис.5 показа-
но рассчитанное расположение на ПФ(0001) произ-
водных ориентаций, отвечающих исходной ориента-
ции базисной нормали в центре ПФ для случаев про-
катанного α-Zr, когда с НП совпадает ось <10.0> (б)
и рекристаллизованного α-Zr, когда с НП совпадает
ось <11.0> (в).
а б в
Рис. 5. К анализу текстурных изменений в трубе в результате фазовых превращений;
а – ПФ(0001) для поверхностного слоя трубы, подвергнутой ВТИП-обработке в прокатанном состоянии;
б,в – рассчитанные производные положения базисной нормали, отвечающие ее исходной ориентации
в центре ПФ(0001): б – прокатанный α-Zr, НП || <10.0>; в – рекристаллизованный α-Zr, НП ||<11.0>
Заштрихованные области отвечают размытию ис-
ходной ориентации вдоль диаметра ПФ. Сопостав-
ляя реально наблюдаемую текстуру поверхностных
слоев в трубах, подвергнутых ВТИП-обработке (cм.
рис. 2,а,б и 5,а), с текстурами, прогнозируемыми для
случая протекания фазовых превращений (см.
рис.5,б,в), можем более обоснованно судить о роли
фазовых превращений в формировании структуры
этих слоев. Однако следует учитывать, что некото-
рые производные ориентации базисных нормалей,
соответствующие действующему ориентационному
соотношению, могут оказаться запрещенными
_______________________________________________________________________________
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2004. № 3.
Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (85), с. 59-65.
63
(0001) L
вследствие неблагоприятного для них поля напряже-
ний, возникающего в трубе в условиях радиаци-
онного нагрева или последующего охлаждения.
На основе сравнения указанных выше ПФ заклю-
чаем, что:
текстуры поверхностного слоя труб, облученных по
режиму А в прокатанном (см. рис. 5,а) и рекри-
сталлизованном состояниях (см. рис. 2,а), резко
различаются между собой расположением вновь
возникших дополнительных текстурных макси-
мумов, как это и прогнозируется на рис. 5,б,в;
хотя полного соответствия между реальными тексту-
рами и прогнозируемыми не наблюдается,
сходство в расположении текстурных максиму-
мов после сдвига прогнозируемых ориентировок
вдоль параллелей ПФ согласно характеру исход-
ного максимума свидетельствует о доминирую-
щей роли фазовых превращений в изменении ис-
ходной текстуры поверхностного слоя при его
обработке по режиму А;
ВТИП-обработка по режиму Б, сопряженная с рас-
плавлением поверхностного слоя трубы, форми-
рует в этом слое текстуру с сильной аксиальной
компонентой, ось которой совпадает с радиаль-
ным направлением, тем самым свидетельствуя о
действии в процессе охлаждения трубы радиаль-
ного сжатия, ответственного за отбор разрешен-
ных ориентаций при фазовом превращении;
пониженная полюсная плотность в центре всех ре-
альных ПФ поверхностного слоя указывает на
наличие механизма, «выметающего» базисные
нормали из окрестностей радиального направле-
ния; согласно теории пластической деформации
α-Zr, таким механизмом является двойникование
по плоскостям {11.2}, активизируемое сжатием
вдоль базисного направления [7];
поскольку отмеченные выше эффекты с удалением
от поверхности трубы исчезают при обработке А
значительно быстрее, чем при обработке Б, оче-
видна их зависимость от толщины расплавленно-
го слоя.
Измерение межплоскостных расстояний и оста-
точных макронапряжений подтверждает, что поверх-
ностные слои трубы претерпели значительное сжа-
тие и их остаточная упругая деформация близка к
предельно возможной. Будем считать, что межплос-
костные расстояния вдоль нормали к поверхности
образца определяются, в первую очередь, действую-
щими в нем упругими напряжениями. Поэтому по-
ниженное по сравнению с исходным межплос-
костное расстояние d21.3 (см. рис. 1,б), измеренное
вдоль нормали к поверхности трубы, указывает на
действие в этом направлении сжимающих напряже-
ний. О том же свидетельствует обнаруженное sin2ψ-
методом упругое растяжение в плоскости поверхно-
сти трубы (см. рис. 1,в), сопряженное со сжатием по
нормали к этой плоскости в силу постоянства
объема материала при упругой деформации.
Причем, в случае облучения по режиму Б, упругое
сжатие решетки по мере удаления от поверхности
трубы спадает медленнее, чем в случае облучения
по режиму А.
К факторам, способным вызвать cжатие решетки
поверхностного слоя трубы по радиальному направ-
лению, относятся следующие:
увеличение объема поверхностного слоя вследствие
его насыщения ионами гелия;
сила поверхностного натяжения, возникающая в
расплавленном слое;
увеличение объема поверхностного слоя вследствие
дробления его структуры и повышения дефект-
ности кристаллической решетки при фазовом
превращении в условиях быстрого охлаждения.
Необходимо отметить, что хотя обработка трубы
по режиму А вызывает повышение дефектности
кристаллической решетки и остаточных напряжений
в более тонком слое, чем обработка по режиму Б
(см. рис.1), исходная текстура под воздействием об-
работки по режиму А оказывается существенно из-
мененной по всей толщине стенки трубы, тогда как в
случае обработки по режиму Б уже на глубине 60
мкм ее влияние на текстуру становится незаметным
(см. рис. 2-4). Наблюдаемое изменение текстуры
трубы при обработке по режиму А состоит в значи-
тельном усилении ее аксиальной компоненты с осью
L, что проявляется в увеличении числа контуров,
идущих вдоль параллелей ПФ(0001), и в их уплотне-
нии (см. рис. 2,а).
Изменение текстуры материала означает, что в
нем происходят направленные повороты решетки зе-
рен вследствие активизации механизмов скольжения
или двойникования в зависимости от направления
приложенных усилий, инициирующих протекание в
материале коллективных дислокационных процес-
сов. Очевидно, для активизации этих процессов
недостаточно поля напряжений, возникающих в по-
верхностном слое трубы при ВТИП-обработке в
условиях его расплавления, кристаллизации и по-
следующего фазового превращения, – в противном
случае обработка по режиму Б приводила бы к
большему изменению текстуры внутренних слоев
трубы, чем более «мягкая» обработка по режиму А,
тогда как на самом деле наблюдается обратная ситу-
ация. Следовательно, текстурные изменения в толще
трубы обусловлены действием какого-то другого ме-
ханизма, активизации которого препятствует на-
личие на поверхности трубы расплавленного слоя.
Таким механизмом, обеспечивающим передачу
воздействия ионного облучения на большое расстоя-
ние, может являться возбуждение в трубе ударных
волн, связанных с торможением в ее поверхностном
слое каждого из ионов. Ударная волна распространя-
ется в толще твердого тела, но затухает в слое рас-
плава. Формирование в трубе аксиальной текстур-
ной компоненты в результате ВТИП-обработки по
режиму А подобно происходящему в проволоке при
волочении, когда материал претерпевает всесто-
роннее радиальное сжатие и результирующее осевое
растяжение. По-видимому, распространение удар-
ных волн в цилиндрическом образце приводит к ана-
логичным деформационным эффектам с той разни-
_______________________________________________________________________________
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2004. № 3.
Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (85), с. 59-65.
64
(в)
цей, что они реализуются в результате импульсного,
а не постоянного нагружения. Так как элементарные
акты пластической деформации имеют дискретную
дислокационную природу, оказывается возможным
их стимулирование с помощью импульсного воздей-
ствия со стороны ионов, тормозящихся в поверх-
ностном слое.
ВЫВОДЫ
1. В результате обработки высокотемпературной
импульсной гелиевой плазмой в оболочечных
трубах из сплава Zr-1%Nb развивается послойная
структурная и текстурная неоднородность, зави-
сящая от режима обработки и обусловленная ря-
дом взаимодействующих факторов, в числе кото-
рых: расплавление поверхностного слоя; про-
текание α→β→α-фазовых превращений; дей-
ствие макронапряжений, связанных с объемными
изменениями поверхностного слоя, а также воз-
никновение ударных волн при торможении
ионов.
2. Дробление субструктуры α-Zr и искажение его
кристаллической решетки, а также упругие тан-
генциальное растяжение и радиальное сжатие на-
блюдаются в пределах поверхностного слоя, тол-
щина которого растет с интенсификацией его
плавления и коррелирует с толщиной слоя, пре-
терпевающего фазовое превращение.
3. В случае «мягкой» ВТИП-обработки, не сопря-
женной с заметным оплавлением поверхности
трубы, в ее внутренних слоях по всей толщине
стенки развивается однородная текстура аксиаль-
ного типа, резко отличающаяся от исходной, то-
гда как в случае «жесткой» обработки, приводя-
щей к плавлению поверхностного слоя, ее влия-
ние на текстуру не сказывается уже на расстоя-
нии 60 мкм от поверхности.
4. Текстурные изменения в оболочечных трубах
при ВТИП-обработке без расплавления поверх-
ностного слоя обусловлены эффектом дальнодей-
ствия ударных волн, которые гасятся при на-
личии расплавленного слоя.
ЛИТЕРАТУРА
1. А.И. Евстюхин, Ю.А. Перлович, А.А. Писарев,
А.Ф. Басков, В.А. Фесенко. Рентгеновское исследо-
вание воздействия ионной бомбардировки на струк-
туру деформированных молибдена и ниобия /В кн.:
Взаимодействие атомных частиц с твердым те-
лом. Материалы V Всесоюзной конференции. Ч.I.
Минск, 1978, с. 87 – 90.
2.А.И. Евстюхин, Ю.А. Перлович, А.А. Писарев,
В.Г. Тельковский, В.А. Фесенко. Рентгеновское изу-
чение структурных изменений в объеме деформиро-
ванных металлов под воздействием ионного облуче-
ния //Известия АН СССР. Металлы. 1984, № 4,
с. 139 – 144.
3.Б.А. Калин, Ю.А. Перлович, В.А. Фесенко, В.Л.
Якушин, М.И. Гусева, А.Н. Мансурова. Рентгеногра-
фическое исследование структурных изменений в
молибдене, облученном ионами гелия //Поверх-
ность. Физика, химия, механика. 1984, №3, с. 140 –
147.
4.А.А. Русаков. Рентгенография металлов. М.:
«Атомиздат», 1977, 479 с.
5.М.М. Бородкина, Э.Н. Спектор. Рентгенографиче-
ский анализ текстуры металлов и сплавов. М.: «Ме-
таллургия», 1981, 272 с.
6.P.A. Tempest Preferred orientation and its effect on
bulk physical properties of hexagonal polycrystalline
materials //Journal of Nuclear Materials. 1980, v. 92,
p. 191 – 200.
7.Д. Дуглас. Металловедение циркония. М.: «Атом-
издат», 1975, 360 с.
8.B.A. Cheadle, C.E. Ells The effect of heat treatment
on the texture of fabricated Zr-rich alloys //Electro-
chemical Technology. 1966, July-August,
p. 329 – 336.
ЗМІНА СТРУКТУРИ ТА ТЕКСТУРИ В ОБ`ЄМІ ОБОЛОНКОВИХ ТРУБ ІЗ СПЛАВІВ НА БАЗІ
ЦИРКОНІЮ ПРИ ІОННО-ПЛАЗМОВІЙ ОБРОБЦІ ПОВЕРХНІ
Ю.О. Перлович, М.М. Грехов, М.Г. Ісаєнкова, В.В. Фесенко, Б.О. Калін, В.Л. Якушин
При використанні рентгеновських методів вивчена пошарова неоднорідність структури та текстури в оболонкових
трубах із сплаву Zr-1% Ni, підданих обробці високотемпературною імпульсною гелієвою плазмою з енергією іонів не
вище декількох кеВ. У випадку, коли обробка не приводить до розплавлення поверхневого шару по всій товщині стінки
труби (0,9 мм) має місто суттєва зміна вихідної текстури, що вказує на дальнодію іонного промінення. Розплавлення
поверхневого шару при збільшенні щільності потоку енергії іонів пригнічує ефект дальнодії. Структурні зміни в трубі
обмежуються викривленням кристаличної гратки, пов`язаним із протіканням α→β→α фазових перетворень у шарі
товщиною до 40 мкм. Найбільш вірогідним механізмом, який відповідає за ефект дальнодії іонного опромінення, є
розповсюдження ударних хвиль, які виникають при гальмуванні іонів.
BULK STRUCTURE AND TEXTURE CHANGES IN CLADDING TUBES FROM Zr-BASED ALLOYS
UNDER ION-PLASMA SURFACE TREATMENT
Yu. Perlovich, M. Grekhov, M. Isaenkova, V. Fesenko, B. Kalin, V. Yakushin
_______________________________________________________________________________
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2004. № 3.
Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (85), с. 59-65.
65
Moscow Engineering Physics Institute (State University), Moscow, Russia
A layer-by-layer structure and texture inhomogeneity of Zr-1%Nb cladding tubes, treated by the high-temperature pulse He
plasma, was studied by use of X-ray methods. An energy of ions did not exceed several keV. When the treatment does not cause
melting of the surface layer, essential changes of the initial texture take place over the whole thickness of the tube wall (0.9 mm),
testifying in such a way about a long-range action of ion irradiation. Melting of the surface layer by an increase of the ion energy
flow density represses the long-range effect, so that structure changes in the tube are restricted by distortion of the crystalline lat-
tice due to development of α→β→α phase transformations within the layer of 40 µm thick. The most probable mechanism, re-
sponsible for the long-range effect of ion irradiation, is spreading of blast waves, arising by braking of ions.
_______________________________________________________________________________
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2004. № 3.
Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (85), с. 59-65.
66
ВВЕДЕНИЕ
МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
ВЫВОДЫ
ЛИТЕРАТУРА
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-79538 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1562-6016 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-02T06:10:40Z |
| publishDate | 2004 |
| publisher | Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Перлович, Ю.А. Грехов, М.М. Исаенкова, М.Г. Фесенко, В.В. Калин, Б.А. Якушин, В.Л. 2015-04-02T19:22:28Z 2015-04-02T19:22:28Z 2004 Изменение структуры и текстуры в объеме оболочечных труб из сплавов на основе циркония при ионно-плазменной обработке поверхности / Ю.А. Перлович, М.М. Грехов, М.Г. Исаенкова, В.В. Фесенко, Б.А. Калин, В.Л. Якушин // Вопросы атомной науки и техники. — 2004. — № 3. — С. 59-65. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/79538 539.1.043: 539.26 При использовании рентгеновских методов изучена послойная неоднородность структуры и текстуры в оболочечных трубах из сплава Zr-1%Nb, подвергнутых обработке высокотемпературной импульсной гелиевой плазмой с энергией ионов не выше нескольких кэВ. В том случае, когда обработка не приводит к расплавлению поверхностного слоя, по всей толщине стенки трубы (0,9 мм) происходит существенное изменение исходной текстуры, свидетельствующее о дальнодействии ионного облучения. Плавление поверхностного слоя при увеличении плотности потока энергии ионов подавляет эффект дальнодействия. Структурные изменения в трубе ограничиваются искажением кристаллической решетки, связанным с протеканием α→β→α-фазовых превращений в слое толщиной до 40 мкм. Наиболее вероятным механизмом, ответственным за эффект дальнодействия ионного облучения, является распространение ударных волн, возникающих при торможении ионов. При використанні рентгеновських методів вивчена пошарова неоднорідність структури та текстури в оболонкових трубах із сплаву Zr-1% Ni, підданих обробці високотемпературною імпульсною гелієвою плазмою з енергією іонів не вище декількох кеВ. У випадку, коли обробка не приводить до розплавлення поверхневого шару по всій товщині стінки труби (0,9 мм) має місто суттєва зміна вихідної текстури, що вказує на дальнодію іонного промінення. Розплавлення поверхневого шару при збільшенні щільності потоку енергії іонів пригнічує ефект дальнодії. Структурні зміни в трубі обмежуються викривленням кристаличної гратки, пов`язаним із протіканням α→β→α фазових перетворень у шарі товщиною до 40 мкм. Найбільш вірогідним механізмом, який відповідає за ефект дальнодії іонного опромінення, є розповсюдження ударних хвиль, які виникають при гальмуванні іонів. A layer-by-layer structure and texture inhomogeneity of Zr-1%Nb cladding tubes, treated by the high-temperature pulse He plasma, was studied by use of X-ray methods. An energy of ions did not exceed several keV. When the treatment does not cause melting of the surface layer, essential changes of the initial texture take place over the whole thickness of the tube wall (0.9 mm), testifying in such a way about a long-range action of ion irradiation. Melting of the surface layer by an increase of the ion energy flow density represses the long-range effect, so that structure changes in the tube are restricted by distortion of the crystalline lattice due to development of α→β→α phase transformations within the layer of 40 µm thick. The most probable mechanism, responsible for the long-range effect of ion irradiation, is spreading of blast waves, arising by braking of ions. ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Материалы реакторов на тепловых нейтронах Изменение структуры и текстуры в объеме оболочечных труб из сплавов на основе циркония при ионно-плазменной обработке поверхности Зміна структури та текстури в об`ємі оболонкових труб із сплавів на базі цирконію при іонно-плазмовій обробці поверхні Bulk structure and texture changes in cladding tubes from Zr-based alloys under ion-plasma surface treatment Article published earlier |
| spellingShingle | Изменение структуры и текстуры в объеме оболочечных труб из сплавов на основе циркония при ионно-плазменной обработке поверхности Перлович, Ю.А. Грехов, М.М. Исаенкова, М.Г. Фесенко, В.В. Калин, Б.А. Якушин, В.Л. Материалы реакторов на тепловых нейтронах |
| title | Изменение структуры и текстуры в объеме оболочечных труб из сплавов на основе циркония при ионно-плазменной обработке поверхности |
| title_alt | Зміна структури та текстури в об`ємі оболонкових труб із сплавів на базі цирконію при іонно-плазмовій обробці поверхні Bulk structure and texture changes in cladding tubes from Zr-based alloys under ion-plasma surface treatment |
| title_full | Изменение структуры и текстуры в объеме оболочечных труб из сплавов на основе циркония при ионно-плазменной обработке поверхности |
| title_fullStr | Изменение структуры и текстуры в объеме оболочечных труб из сплавов на основе циркония при ионно-плазменной обработке поверхности |
| title_full_unstemmed | Изменение структуры и текстуры в объеме оболочечных труб из сплавов на основе циркония при ионно-плазменной обработке поверхности |
| title_short | Изменение структуры и текстуры в объеме оболочечных труб из сплавов на основе циркония при ионно-плазменной обработке поверхности |
| title_sort | изменение структуры и текстуры в объеме оболочечных труб из сплавов на основе циркония при ионно-плазменной обработке поверхности |
| topic | Материалы реакторов на тепловых нейтронах |
| topic_facet | Материалы реакторов на тепловых нейтронах |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/79538 |
| work_keys_str_mv | AT perlovičûa izmeneniestrukturyiteksturyvobʺemeoboločečnyhtrubizsplavovnaosnovecirkoniâpriionnoplazmennoiobrabotkepoverhnosti AT grehovmm izmeneniestrukturyiteksturyvobʺemeoboločečnyhtrubizsplavovnaosnovecirkoniâpriionnoplazmennoiobrabotkepoverhnosti AT isaenkovamg izmeneniestrukturyiteksturyvobʺemeoboločečnyhtrubizsplavovnaosnovecirkoniâpriionnoplazmennoiobrabotkepoverhnosti AT fesenkovv izmeneniestrukturyiteksturyvobʺemeoboločečnyhtrubizsplavovnaosnovecirkoniâpriionnoplazmennoiobrabotkepoverhnosti AT kalinba izmeneniestrukturyiteksturyvobʺemeoboločečnyhtrubizsplavovnaosnovecirkoniâpriionnoplazmennoiobrabotkepoverhnosti AT âkušinvl izmeneniestrukturyiteksturyvobʺemeoboločečnyhtrubizsplavovnaosnovecirkoniâpriionnoplazmennoiobrabotkepoverhnosti AT perlovičûa zmínastrukturitateksturivobêmíobolonkovihtrubízsplavívnabazícirkoníûpriíonnoplazmovíiobrobcípoverhní AT grehovmm zmínastrukturitateksturivobêmíobolonkovihtrubízsplavívnabazícirkoníûpriíonnoplazmovíiobrobcípoverhní AT isaenkovamg zmínastrukturitateksturivobêmíobolonkovihtrubízsplavívnabazícirkoníûpriíonnoplazmovíiobrobcípoverhní AT fesenkovv zmínastrukturitateksturivobêmíobolonkovihtrubízsplavívnabazícirkoníûpriíonnoplazmovíiobrobcípoverhní AT kalinba zmínastrukturitateksturivobêmíobolonkovihtrubízsplavívnabazícirkoníûpriíonnoplazmovíiobrobcípoverhní AT âkušinvl zmínastrukturitateksturivobêmíobolonkovihtrubízsplavívnabazícirkoníûpriíonnoplazmovíiobrobcípoverhní AT perlovičûa bulkstructureandtexturechangesincladdingtubesfromzrbasedalloysunderionplasmasurfacetreatment AT grehovmm bulkstructureandtexturechangesincladdingtubesfromzrbasedalloysunderionplasmasurfacetreatment AT isaenkovamg bulkstructureandtexturechangesincladdingtubesfromzrbasedalloysunderionplasmasurfacetreatment AT fesenkovv bulkstructureandtexturechangesincladdingtubesfromzrbasedalloysunderionplasmasurfacetreatment AT kalinba bulkstructureandtexturechangesincladdingtubesfromzrbasedalloysunderionplasmasurfacetreatment AT âkušinvl bulkstructureandtexturechangesincladdingtubesfromzrbasedalloysunderionplasmasurfacetreatment |