РАДИАЦИОННО-ИНДУЦИРОВАННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КОРРОЗИОННОСТОЙКИХ СТАЛЕЙ ПРИ ОБЛУЧЕНИИ 10 МэВ ЭЛЕКТРОНАМИ
РАДИАЦИОННО-ИНДУЦИРОВАННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КОРРОЗИОННОСТОЙКИХ СТАЛЕЙ ПРИ ОБЛУЧЕНИИ 10 МэВ ЭЛЕКТРОНАМИ
Аннотация
Настоящая статья посвящена исследованию радиационно-индуцированных изменений, происходящих в коррозионностойких сталях под воздействием электронного пучка с энергией 10 МэВ. В работе анализируются изменения микроструктуры материала после облучения.
Результаты показали, что облучение приводит к образованию микродефектов в стали, которые оказывают значительное влияние на физико-механические свойства материала. Определено, что акустические параметры, такие как скорость поперечных волн и волн Релея, а также значения модулей упругости являются чувствительными к воздействию быстрыми электронами на исследуемую сталь.
Полученные данные имеют важное значение для понимания поведения коррозионностойких сталей в условиях радиационного воздействия, а также для разработки методов их защиты от разрушения.
1. Введение
В современной промышленности коррозионностойкая сталь является одним из наиболее широко используемых материалов благодаря своим уникальным физико-механическим свойствам, таким как прочность, пластичность и устойчивость к коррозии , , , . Однако при воздействии различных внешних факторов, в частности радиационного излучения, свойства стали могут существенно изменяться. Это особенно важно учитывать в тех отраслях, в которых материалы подвергаются воздействию высоких уровней радиации, например, в атомной энергетике , , .
Изучение влияния различных видов излучения на материалы является одной из ключевых задач современной физики твердого тела и материаловедения. Наиболее перспективным способом исследования структурных изменений в поверхностных слоях коррозионностойких сталей под воздействием облучения является эхо-метод с использованием объемных волн и волн Релея.
Облучение материала может приводить к значительным изменениям в его структуре и свойствах, которые могут быть связаны с образованием дефектов кристаллической решетки, изменением химического состава, а также с появлением новых фазовых состояний . Традиционные методы анализа, такие как рентгеновская дифракция и электронная микроскопия, позволяют получить информацию о структуре материала на макро- и микроуровнях. Однако они не всегда способны предоставить данные о локальных изменениях в облученном слое материала.
При ультразвуковом контроле объемные волны используются для выявления внутренних дефектов в объеме вещества. Метод основан на том, что дефекты изменяют путь распространения волны, вызывая отражение, преломление или рассеяние ультразвуковых сигналов.
Волны Релея представляют собой поверхностные акустические волны, которые распространяются вдоль границы раздела двух сред, таких как твердая поверхность и воздух. Также они обладают рядом уникальных свойств, которые делают их эффективным инструментом для изучения поверхностных слоев материалов , , , . Во-первых, они чувствительны к изменению упругих характеристик материала, что позволяет выявлять даже незначительные изменения в структуре поверхностного слоя. Во-вторых, благодаря своей поверхностной природе, волны Релея обеспечивают высокую пространственную разрешающую способность, что делает возможным исследование локальных изменений в материале.
Целью данной работы является изучение возможности использования объемных волн и волн Релея для определения изменений в коррозионностойкой стали после облучения быстрыми электронами с энергией 10 МэВ, которая является достаточно близкой к выделяемой при ядерных реакциях в атомных электростанциях. В рамках исследования особое внимание уделено оценке влияния облучения на изменение акустических параметров вещества.
Работа направлена на развитие методов диагностики состояния материалов после облучения и создания основы для дальнейшего применения в области контроля качества и безопасности эксплуатации материалов (устойчивого сохранения свойств), используемых в условиях радиационного воздействия.
2. Методы и принципы исследования
Для проведения эксперимента использовались два геометрически-равных образца с размерами: 47 мм х 41 мм х 29,5 мм (рисунок 1), из коррозионностойкой стали 12Х18Н10Т ГОСТ 5632-2014. Исследуемые объекты предварительно очищены от загрязнений и отполированы до зеркального блеска. Облучение одного из образцов проводилось на ускорителе электронов УЭЛР-10-10С с энергией 10 МэВ; флюенс порядка 5·1015 см-2; в циклическом режиме с целью исключения влияния нагрева на структуру образцов (время цикла — 10 с, период следования циклов — 30 мин., количество циклов — 500, общее время облучения — 5000 с).
Рисунок 1 - Образцы из стали 12Х18Н10Т ГОСТ 5632-2014
Примечание: 1 — исходный; 2 — облученный
Для измерения продольными волнами использовался прямой совмещенный пьезоэлектрический преобразователь (ПЭП) с частотой 5 МГц. По результатам многократных измерений определялись усредненные значения скоростей звука.
Для возбуждения поперечных волн и волн Релея использовался ПЭП с переменным углом призмы и частотой 5 МГц. Угол призмы для генерации поперечных волн составлял β = 40°. Для волн Релея угол призмы устанавливался в β = 58°, что превышает второй критический угол для данной марки стали. При исследовании облученного образца с использованием поперечных волн и волн Релея для определения случайной погрешности в каждом положении выполнено по 5 измерений (рисунок 2). При контроле поперечными волнами выбиралось крайнее положение, ближе к облученной стороне. Для исходного образца схема измерения идентична.
Рисунок 2 - Схема измерения облученного образца
Примечание: 1 — поперечными волнами; 2 — волнами Релея
Скорость объемных волн и волн Релея определялась по известному соотношению:
где l — расстояние до отражателя, мм;
t — время прихода сигнала, мкс;
tзад — время задержки в ПЭП, мкс.
3. Результаты и обсуждение
Для определения глубины проникновения электронов в коррозионностойкую сталь, в программе Casino (Monte Carlo Simulation of Electron Trajectory in Solids) , использующей методы Монте-Карло, построена модель (рисунок 3).
Рисунок 3 - Модель проникновения электронов
Результаты измерения скорости продольных волн позволили установить, что в исходном образце стали она составляет (5730 ± 14) м/с, а в облученном (5723 ± 14) м/с. Полученные значения не различаются с точностью до погрешности.
В таблице 1 представлены результаты, полученные по данным измерения скоростей поперечных волн и волн Релея, с учетом схемы (рисунок 2).
Таблица 1 - Результаты измерения скоростей звука поперечных волн и волн Релея
Положение ПЭП | Образец | |||
Исходный | После облучения | |||
Скорость поперечных волн, м/c | Скорость волн Релея, м/c | Скорость поперечных волн, м/c | Скорость волн Релея, м/c | |
1 | 3188 ± 10 | 2969 ± 12 | 3058 ± 9 | 2853 ± 8 |
2 | 3180 ± 10 | 2952 ± 10 | 3050 ± 9 | 2844 ± 8 |
3 | – | 2975 ± 15 | – | 2839 ± 8 |
Среднее значение по образцу | 3184 ± 15 | 2965 ± 18 | 3054 ± 14 | 2845 ± 10 |
После электронного облучения скорости поперечных волн и волн Релея уменьшаются на 4,3% и 4,2%, соответственно (табл. 1). Стоит отметить, что волны Релея представляют собой суперпозицию деформации растяжения/сжатия и сдвиговой деформации. Соответственно, изменение скорости таких волн напрямую связано с изменением модуля Юнга и модуля сдвига . При этом глубина проникновения волны Релея в сталь 12Х18Н10Т ГОСТ 5632-2014, примерно равная ее длине волны, и составляет порядка 0.6 мм.
В таблице 2 представлены результаты косвенных измерений упругих характеристик образцов.
Таблица 2 - Результаты косвенных измерений модулей упругости, коэффициентов Пуассона и акустических импедансов
Параметр | Образец | |
Акустический параметр | Исходный | После облучения |
Коэффициент Пуассона | 0,277 ± 0,016 | 0,301 ± 0,016 |
Модуль Юнга, ГПа | 203,2 ± 1,0 | 190,5 ± 1,0 |
Модуль сдвига, ГПа | 79,6 ± 0,8 | 73,2 ± 0,7 |
Импеданс продольных волн, МПа·c/м | 44,98 ± 0,12 | 44,93 ± 0,12 |
Импеданс поперечных волн, МПа·c/м | 24,99 ± 0,13 | 23,97 ± 0,12 |
Импеданс волн Релея, МПа·c/м | 23,28 ± 0,16 | 22,33 ± 0,09 |
Исходя из данных, приведенных выше, отмечено, что значения акустического импеданса продольных волн не изменяются с точностью до погрешности, а поперечных волн и волн Релея уменьшаются пропорционально скоростям звука.
Установлено, что после воздействия электронами с энергией 10 МэВ в стали 12Х18Н10Т ГОСТ 5632-2014, изменяются модули упругости. В частности, облучение приводит к уменьшению модулей Юнга и сдвига на 6,7% и 8,7% соответственно. Однако изменение значений коэффициента Пуассона находится в диапазоне погрешности косвенного измерения. Такое изменение упругих характеристик свидетельствует об уменьшении способности материала сопротивляться деформации растяжения/сжатия и деформации сдвига, что отрицательно влияет на его прочность. Данное явление связано с возникновением радиационных микродефектов в облученном образце.
4. Заключение
Анализ полученных результатов исследования радиационно-индуцированных изменений в объеме и поверхностных слоях коррозионностойких сталей под воздействием электронного облучения с энергией 10 МэВ позволил выявить ряд значимых закономерностей.
1. Глубина проникновения электронов с энергией 10 МэВ в слой стали 12Х18Н10Т ГОСТ 5632-2014 составляет до (6,5 ÷ 7,5) мм.
2. Под действием электронного облучения обнаружено уменьшение модулей Юнга и сдвига материала на 6,7% и 8,7% соответственно. Значение коэффициента Пуассона, скорости и импеданса продольных волн не изменяется с точностью до погрешности.
3. Установленные изменения параметров упругости образцов стали связаны с возникновением радиационных микродефектов, что в свою очередь отрицательно сказывается на механических свойствах, таких как прочность.
Радиационное воздействие электронов с энергией 10 МэВ оказывает влияние на акустические, упругие и прочностные свойства коррозионностойких сталей. Полученные результаты имеют практическое значение для оценки возможности применения таких материалов в планируемых условиях эксплуатации, связанных с радиационным облучением.