и монокристаллов аустенитных нержавеющих сталей

УДК 621.039.53(06) Гелий и водород в реакторных материалах
Е.И. КУПРЕКОВА1, И.П. ЧЕРНОВ1, Ю.И. ЧУМЛЯКОВ2
1Томский
политехнический университет, Томск, Россия
физико-технический институт, Томск, Россия
2Сибирский
ВЛИЯНИЕ ВОДОРОДА И РЕНТГЕНОВСКИХ КВАНТОВ
НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
ПОЛИ- И МОНОКРИСТАЛЛОВ АУСТЕНИТНЫХ НЕРЖАВЕЮЩИХ СТАЛЕЙ
На поли- и монокристаллах аустенитных нержавеющих сталей AISI316, 321,
350 с низкой энергией дефекта упаковки при деформации растяжением проведены
исследования влияния электролитического насыщения водородом и последующего облучения рентгеновскими квантами на прочностные свойства, пластичность и
характер разрушения сталей. Показано, что легирование водородом приводит к
появлению новых особенностей механического поведения кристаллов: к росту
предела текучести, увеличению напряжения до разрушения и уменьшению пластичности в поликристаллах; зависимости критических скалывающих напряжений
от ориентации оси растяжения монокристаллов; зависимости пластичности монокристаллов от времени насыщения водородом; зависимости характера разрушения
кристаллов от времени наводороживания. Облучение поли- и монокристаллов
аустенитных нержавеющих сталей рентгеновскими квантами приводит к исчезновению указанных особенностей механического поведения исследуемых материалов.
Легирование водородом аустенитных нержавеющих сталей приводит к
хрупкому разрушению, что является серьезной практической проблемой.
Для выяснения физической природы влияния водорода на механические
свойства аустенитных сталей необходимо проведение систематических
исследований на поли- и монокристаллах сталей. Такие эксперименты
позволят, во-первых, избежать осложнений, связанных с наличием границ
зерен в поликристаллах, которые могут приводить к неоднородному распределению водорода между телом зерна и границей; во-вторых, использование монокристаллов позволяет исследовать влияние водорода на ориентационную зависимость критических скалывающих напряжений кр,
пластичность и разрушение. До сих пор в литературе такие исследования
отсутствуют. В настоящей работе предпринята попытка заполнить этот
пробел, и поставлена задача исследовать зависимость предела текучести
0,2 и критических скалывающих напряжений кр от времени насыщения
водородом t, установить влияние водорода на температурную зависимость
0,2(Т), кр(Т), выяснить влияние ориентации монокристаллов на кр, уста170
ISBN 978-5-7262-0883-1. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2008. Том 1
УДК 621.039.53(06) Гелий и водород в реакторных материалах
новить влияние водорода на характер кривых «напряжение-деформация»,
пластичность кристаллов и характер разрушения, выяснить принципиальную возможность неравновесного низкотемпературного управления свойствами аустенитных нержавеющих сталей за счет облучения рентгеновскими квантами.
В работе впервые экспериментально установлено, что в монокристаллах аустенитных нержавеющих сталей насыщение водородом приводит
при 77 К к существенным (в 1,52 раза) эффектам твердорастворного
упрочнения. Наводороживание приводит к появлению сильной ориентационной зависимости критических скалывающих напряжений кр: кристаллы [012] ориентации имеют большие значения кр, чем кристаллы
[011] ориентации. Ранее такое нешмидовское поведение в ГЦК материалах с водородом не отмечалось. Физическая причина ориентационной
зависимости кр в кристаллах с водородом связывается с ориентационной
зависимостью величины расщепления a/2<110> дислокаций на частичные
Шокли a/6<211>: «мягкие» [011] ориентации с низкими значениями кр
соответствуют случаю, когда дислокации увеличивают свое расщепление.
В «жестких» [012] ориентациях с высокими значениями кр величина расщепления уменьшается по сравнению с ненагруженным состоянием. Высокое содержание водорода может при 77 К привести к смене механизма
деформации от скольжения к двойникованию. Таким концентрациям соответствует стадия уменьшения кр с ростом t.
В поликристаллах аустенитных нержавеющих сталей AISI321 наводороживание приводит к росту предела текучести 0,2, увеличению напряжения до разрушения F и коэффициента деформационного упрочнения
 = d/d, способствует уменьшению пластичности пл по сравнению с
состоянием без водорода. Эффект упрочнения водородом усиливается с
увеличением концентрации атомов водорода и с понижением температуры испытания до 77 К. После облучения кристаллов с разным содержанием атомов водорода рентгеновскими квантами значения 0,2, F,  и пл
оказываются близкими. Физическая причина исчезновения зависимости
прочностных свойств стали от концентрации атомов водорода после воздействия рентгеновского излучения связывается с возбуждением водородной подсистемы рентгеновскими квантами. Атомы водорода приобретают энергию на порядки большую по сравнению с атомами матрицы и
начинают интенсивно выходить из материала.
ISBN 978-5-7262-0883-1. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2008. Том 1
171