Научно-технический и производственный журнал.
Издается с января 1958 года. Индекс: 70383
ISSN 2410-2091 (Online), ISSN 0368-0797 (Print)
 
 
 
 

Послать статью

 

ИССЛЕДОВАНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПОЛЗУЧЕСТИ ФЕРРИТНО-МАРТЕНСИТНОЙ СТАЛИ 16Х12МВСФБР (ЭП-823)

стр. 290-302

Авторы: Моляров В. Г.1, Беломытцев М. Ю.2

1 АО "ВНИИНЕФТЕМАШ" (Россия, 115191, Москва, 4-й Рощинский проезд, д. 19)
Моляров В. Г. - к.т.н., старший научный сотрудник, зам. зав. отделом материаловедения и сварки нефтяного оборудования (email: molyaron@mail.ru)
2 Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» (119049, Россия, Москва, Ленинский пр., 4)
Беломытцев М. Ю. - д.т.н., профессор кафедры металловедения и физики прочности (email: myubelom@yandex.ru)

Аннотация: Базовыми характеристиками ферритно-мартенситных жаропрочных сталей с 12 % хрома являются показатели их прочности и сопротивления ползучести при температурах 600 – 750 ºС. Сталь 16Х12МВСФБР (ЭП-823) рассматривается как основной материал для изготовления оболочек тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов) разрабатываемого реактора с естественной безопасностью типа БРЕСТ. В литературе имеются данные о её механических характеристиках при испытании на растяжение в диапазоне температур 20 – 750 ºС и ограниченные характеристики длительной прочности; Сведения о её скорости ползучести отсутствуют. Закономерности ползучести стали ЭП-823 исследовали на металле трёх плавок массой 3 кг каждая. Применяли испытание на сжатие на воздухе цилиндрических образцов размерами ~ 5÷6 мм при температурах 600 - 760 ºС и напряжениях 70 – 310 МПа. База испытаний при сжатии не превышала 11 часов. Структура после закалки и отпуска состояла из отпущенного мартенсита и 6 – 12 % об. дельта феррита, размер зерна – не более 20 мкм. Показано, что описание результатов испытаний на ползучесть в двойных логарифмических (log σ – log έ ) координатах обеспечивает лучшее совпадение результатов аппроксимации и эксперимента, чем в полулогарифмических (σ – log έ ). Анализ параметрических зависимостей по Холломону РS = (T/1000) ∙[СS - log (έ)] и Ларсену-Миллеру PE = (T/1000) ∙[СE - log (σ)] позволил найти уравнения связи для нахождения скорости ползучести для заданного уровня напряжений 100 – 220 МПа в виде log (έ) = -19,355 + 9,17 ∙ (Т / 1000) ∙ log (σ) и пределов ползучести по заданным допускам на скорость ползучести 0,01 – 1 %/час в виде log(σ) = 4,304 – 0,109 ∙ (Т / 1000) ∙ [20 - log (έ)] . Расчёты пределов ползучести и скоростей ползучести по парным моделям и моделям Холломона (Ларсена-Миллера) дают близкие результаты, но предпочтение следует отдать описанию по Холломону (Ларсену-Миллеру), поскольку эти модели учитывают все три варьируемых фактора. Приведены результаты контрольных испытаний по схеме растяжения в тех же условиях. Показано, что между результатами испытаний на сжатие и на растяжение при определении характеристик прочности существует линейная зависимость, выражаемая уравнением σ0.2 при сжатии = 1,3•σ 0.2 при растяжении . При анализе ползучести установлено, что скорости ползучести для стали одной марки (09Х12В3БР) и одной плавки при разных способах нагружения (растяжения или сжатия) имеют сходные значения, в то время как скорости ползучести для стали одной марки (ЭП-823), но разных плавок даже при одном способе нагружения – сжатии, могут различаться на порядок.

Ключевые слова: жаропрочные стали, высокохромистые стали, мартенсит, дельта-феррит, изотермическая диаграмма распада аустенита, жаропрочность, предел текучести, сжатие, растяжение, ползучесть, пределы ползучести, параметр Ларсена-Миллера, уравнения ползучести

DOI: 10.17073/0368-0797-2019-4-290-302

Библиография:

1. Бескоровайный Н.М., Калин Б.А., Платонов П.А, Чернов И.И. Конструкционные материалы ядерных реакторов. - М.: Энергоатомиздат, 1995. - 704 с.

2. Солонин М.И., Решетников Ф.Г., Иолтуховский А.Г., Никулина А.В. Новые конструкционные материалы активных зон ядерных энергетических установок // Физика и химия обработки материалов. 2001. № 4. С. 17 – 27.

3. Физико-энергетический институт: – летопись в судьбах / Под ред. А.В. Зродникова / ГНЦ РФ ФЭИ им. А.И. Лейпунского. – Обнинск: ГНЦ ФР ФЭИ, 2006.  - 334 с.

4. Klueh R., Harries D. High chromium ferritic and martensitic steels for nuclear applications.  Bridgeport, USA: ASTM stock number: MONO3, 2001.  - 217 p.

5. Yan Wei, Wang Wei, Shan Yiyin, Yang Ke, Sha Wei. 9-12Cr Heat-Resistant Steels.  Engineering Materials. - Springer, 2015. -223 p.

6. Герасимов В.В., Монахов А.С. Материалы ядерной техники. Учебник для ВУЗов. 2-е изд., перераб и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1982. - 312 с.

7. Бескоровайный Н.М., Беломытцев Ю.С., Абрамович М.Д., Иванов В.К., Шулепов В.И. Конструкционные материалы ядерных реакторов. В 2-х частях. Ч. II: Структура, свойства, назначения. – М.: Атомиздат, 1977. - 256 с.

8. Ибрагимов Ш.Ш.,  Кирсанов В.В., Пятилетов Ю.С. Радиационные повреждения металлов и сплавов. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 240 с.

9. Klueh R.L. Elevated-temperature ferritic and martensitic steels and their application to future nuclear reactors. Oak Ridge, Tennessee, USA, 2004. - 66 p.

10. Физическое материаловедение. Учебник для вузов. Том 6. Конструкционные материалы ядерной техники / Б.А. Калин, П.А. Платонов, Ю.В. Тузов, И.И. Чернов, Я.И, Штромбах / Под общей ред. Б.А. Калина. - М.: НИЯУ МИФИ, 2012. - 736 с.

11. Фрост Б. Твэлы ядерных реакторов / Пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 248 с.

12. Ланская К.А. Высокохромистые жаропрочные стали. - М.: Металлургия, 1976. - 216 с.

13. Химушин Ф.Ф. Нержавеющие стали. – М.: Металлургия, 1967. - 800 с.

14. Вотинов С.Н., Головин И.С., Колотушкин В.П. Проблемы разработки перспективных материалов для оболочек твэлов реакторов на быстрых нейтронах // сб.: Атомные электростанции России. 60 лет атомной промышленности. - М.: 2005. С. 313 – 335.

15. Мальцев В.В., Огородов А.М., Росляков В.Ф., Сергеев Г.А., Шейнкман А.Г. Опыт эксплуатации твэлов и ТВС реактора БН-600 // Труды Международной конференции по радиационному материаловедению. Алушта. 22 – 25 мая 1990 г. – Харьков: ХФТИ, 1990. Т.4. С. 105 – 112.

16. Целищев А.В., Агеев В.С., Буданов Ю.П., Митрофанова Н.М. Разработка конструкционной стали для твэлов и ТВС быстрых реакторов // Атомная энергия. 2010. Т. 108. Вып. 4. С. 217 – 222.

17. Солонин М.И., Иолтуховский А.Г., Бибилашвили Ю.К., Леонтьева-Смирнова М.В., Медведева Е.А., Митрофанова Н.М., Буданов Ю.П., Чернов В.М., Целищев А.В. Проблемы создания и модификации нержавеющих сталей для деталей активных зон ядерных реакторов на быстрых нейтронах и термоядерного реактора синтеза // Физика и химия обработки материалов. 2001. № 5. С. 5 - 13.

 18. Dvoriashin A.M., Porollo S.I., Konobeev Yu.V., Garner F.A. Influence of high dose neutron irradiation on microstructure of EP-450 ferritic–martensitic steel irradiated in three Russian fast reactors // Journal of Nuclear Materials. 2004. Vol.  329 – 333. P. 319 – 323.

19. Odette G.R., Alinger M.J., Wirth B.D. Recent developments in irradiation-resistant steels // Annual Review of Materials Research. 2008. Vol. 38. P. 471 – 503.

20. Kupriiyanova Y.E., Bryk V.V., Borodin O.V., Kalchenko A.S., Voyevodin V.N., Tolstolutskaya G.D., Garner F.A. Use of double and triple-ion irradiation to study the influence of high levels of helium and hydrogen on void swelling of 8–12% Cr ferritic-martensitic steels // Journal of Nuclear Materials. 2016. Vol. 468. P. 264 – 273.

21. Русанов А.Е., Троянов В.М., Беломытцев Ю.С., Шулепин С.В. Разработка и исследование оболочечных сталей для твэлов ЯЭУ с тяжёлым теплоносителем // Сборник докладов конф. „Тяжёлые жидкометаллические теплоносители в ядерных технологиях”. – Обнинск: ГНЦ РФ-ФЭИ, 1999. Т. 2. С. 673 – 685.

22. Roy A.K., Hossain M.K. Cracking of martensitic alloy EP-823 under controlled potential // Journal of Materials Engineering and Performance. 2006.  Vol. 15. No. 3. P. 336 – 344.

23. Maloy S.A., Romero T., James M.R. Tensile testing of EP-823 and HT-9 after irradiation in STIP II // Journal of Nuclear Materials. 2006. Vol. 356. Issue 1 – 3.  P. 56 – 61.

24. Voyevodin V.N., Karpov S.A., Kopanets I.E., Ruzhytskyi V.V., Tolstolutskaya G.D., Garner. F.A. Influence of displacement damage on deuterium and helium retention in austenitic and ferritic-martensitic alloys considered for ADS service //  Journal of Nuclear Materials. 2016. Vol. 468. P. 274 – 280.

25. Иолтуховский А.Г., Леонтьева-Смирнова М.В., Чернов В.М., Цвелёв В.В., Солонин М.И., Голованов В.Н., Шамардин В.К. Разработка жаропрочной 12 %-ной хромистой стали 16Х12В2ТаР нового поколения с быстрым спадом наведённой активности для атомной энергетики России // Металловедение и термическая обработка металлов. 2002. № 11. С. 60 – 64.

26. Ioltukhovskiy A.G., Blokhin A.I., Budylkin N.I., Chernov V.M., Leont'eva-Smirnova M.V., Mironova E.G., Medvedeva E.A., Solonin M.I., Porollo S.I., Zavyalsky L.P. Material science and manufacturing of heat-resistant reduced-activation ferritic-martensitic steels for fusion // Journal of Nuclear Materials. 2000. Vol. 283 – 287. P. 652 - 656.

27. Ioltukhovskiy A.G., Leonteva-Smirnova M.V., Solonin M.I., Chernov V.M., Golovanov V.N., Shamardin V.K., Bulanova T.M., Povstyanko A.V., Fedoseev A.E. Heat resistant reduced activation 12% Cr steel of 16Cr12W2VTaB type-advanced structural material for fusion and fast breeder power reactors // Journal of Nuclear Materials. 2002. Vol. 307 – 311. P. 532 – 535.

28. Иолтуховский А.Г., Леонтьева-Смирнова М.В., Чернов В.М., Цвелев В.В., Солонин М.И., Голованов В.Н., Шамардин В.К. Разработка жаропрочной 12% хромистой стали 16Х12В2ФТаР нового поколения с быстрым спадом наведенной активности для нужд атомной энергетики России // Вопросы атомной науки и техники (Харьков). 2003. № 6. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (84). C. 60 - 64.

29. Nikitina A.A., Ageev V.S., Chukanov A.P., Tsvelev V.V., Porezanov N.P., Kruglov O.A. R&D of ferritic–martensitic steel EP450 ODS for fuel pin claddings of prospective fast reactors // Journal of Nuclear Materials. 2012. Vol. 428. P. 117 – 124.

30. Klueh R. L., Ehrlich K., Abe F. Ferritic/martensitic steels: Promises and problems // Journal of Nuclear Materials. 1992. Vol. 191. P. 116 - 124.

31. Roy A. K., Kukatla S. R., Yarlagadda B., Potluri V. N., Lewis M., O'Toole B. Tensile properties of martensitic stainless steels at elevated temperatures // Journal of Materials Engineering and Performance. 2005. Vol. 14(2). P. 212 - 218.

32. Porollo S.I., Dvoriashin A.M., Konobeev Yu.V., Garner F.A. Microstructure and mechanical properties of ferritic/martensitic steel EP-823 after neutron irradiation to high doses in BOR-60 // Journal of Nuclear Materials. 2004. Vol. 329 – 333. P. 314 – 318.

33. Maloy Stuart A., Romero T., James M.R., Dai Y. Tensile testing of EP-823 and HT-9 after irradiation in STIP II // Journal of Nuclear Materials.  2006. Vol. 356. P. 56 – 61.

34. Драгунов Ю.Г., Зубченко А.С., Каширский Ю.В., Дегтярёв А.Ф., Жаров В.В., Колосков М.М., Орлов А.С., Скоробогатых В.Н. Марочник сталей и сплавов. 4-е изд, перераб и доп. / Под общей ред. Ю.Г. Драгунова и А.С. Зубченко. - М.: Машиностроение, 2015. - 1216 с.

35. Леонтьева-Смирнова М.В., Агафонов А.Н.,  Ермолаев Г.Н., Иолтуховский А.Г., Можалов Е.М., Ревизников Л.И., Цвелёв В.В., Чернов В.М., Буланова Т.М., Голованов В.Н., Островский З.О., Шамардин В.К., Блохин А.И., Иванов М.Б., Козлов Э.В., Колобов Ю.Р., Кардашев Б.К. Микроструктура и механические свойства малоактивируемой ферритно-мартенситной стали ЭК-181 (RUSFER-EK-181) // Перспективные материалы. 2006. № 6. C. 40 – 52.

36. Солонин М.И., Иолтуховский А.Г., Леонтьева-Смирнова М.В., Бибилашвили Ю.К., Голованов В.Н., Кондратьев В.П., Чернов В.М., Шамардин В.К. Малоактивируемая жаропрочная радиационностойкая сталь. Патент на изобретение № 2211878, 2003; опубл. 10.09.2003.

37. Zhongfei Ye, Wang Pei, Li Dianzhong, Zhang Yutuo, Li Yiyi. Effect of carbon and niobium on the microstructure and impact toughness of a high silicon 12% Cr ferritic/martensitic heat resistant steel // Materials Science and Engineering A. 2014. Vol. 616. P. 12 – 19.

38. Зеленский Г.К., Иолтуховский А.Г., Леонтьева-Смирнова М.В., Науменко И.А., Толкаченко С.А. Исследование коррозионной стойкости стальной оболочки твэла в свинцовом теплоносителе // Металловедение и термическая обработка металлов. 2007.  № 11.  С. 34 - 39.

39. Ye Zhongfei, Wang Pei, Li Dianzhong, Li Yiyi. M23C6 precipitates induced inhomogeneous distribution of silicon in the oxide formed on a high-silicon ferritic/martensitic steel // Scripta Materialia. 2015. Vol. 97. P. 45 – 48.

40. Бобков В.П., Блохин А.И., Румянцев В.Н., Соловьёв В.А., Тарасиков В.П. Справочник по свойствам материалов для перспективных реакторных технологий. Том 5. Свойства реакторных сталей и сплавов // Под ред. В.М. Поплавского. - М.: ИздАТ, 2014. - 584 с.

41. Ватулин А.В. Конструкционные и топливные материалы активных зон ядерных реакторов (состояние и направление развития) / Топливный цикл ядерной энергетики России. Научные проблемы и перспективы. - М.: ФГУП ВНИИНМ, 2006. С. 113 - 130.

42. Иолтуховский А.Г., Ланская К.А,. Беломытцев Ю.С., Саратовский Л.Н. Выбор режимов термообработки 12%-ной хромистой стали ЭП-823 применительно к условиям работы чехлов ТВС реактора БН-600 // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Атомное материаловедение. 1985. Вып. 2 (19). С. 65 – 70.

43. Бибилашвили Ю.К., Иолтуховский А.Г., Казённов Ю.И., Буданов Ю.П., Чернов В.М. Служебные характеристики 12 %-ных хромистых сталей применительно к условиям работы элементов активных зон реакторов со свинцовым и свинцово-висмутовым теплоносителями // Сборник докладов конференции „Тяжёлые жидкометаллические теплоносители в ядерных технологиях”. - Обнинск. ГНЦ РФ-ФЭИ. 1999. Т. 2. С. 782 – 791.

44. Иолтуховский А.Г., Леонтьева-Смирнова М.В., Агеев В.С., Голованов В.Н., Кондратьев В.П., Шамардин В.К., Чернов В.М. Влияние исходного структурного состояния на склонность 12 % хромистой стали к охрупчиванию под облучением. Третья межотраслевая конференция по реакторному материаловедению. Дмитровград, 27 – 30 октября 1992 г. Т. 2. – Дмитровград: ГНЦ РФ-НИИАР, 1994. С. 56 – 68.

45. Хабаров В.С., Поролло С.И. Влияние исходной термообработки на механические свойства облучённых ферритно-мартенситных сталей ЭИ-842, ЭП-450 и ЗП-823// Сборник докладов Пятой межотраслевой конференции по реакторному материаловедению. Дмитровград, 8 – 12 сентября 1997 г. Т. 2. Ч. 2. – Дмитровград: ГНЦ РФ-НИИАР, 1998. С. 123 – 135.

46. Розенберг В.М. Основы жаропрочности металлических материалов. - М.: Металлургия, 1973. - 328 с.

47. Штремель М.А. Прочность сплавов. Часть 2: Деформация. - М.: ИД  МИСиС, 1999. - 518 с.

48. Шлякман Б.М., Ямпольский О.Н., Ратушев Д.В. Один способ определения константы С в параметре Холломона // Металловедение и термическая обработка металлов. 2010. № 9 (663). С. 48 – 51.

49. Образцов С.М., Шимкевич А.Л. Бутстреп - идентификация экспоненциальной зависимости // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2000. Т. 66. № 1. С. 62 - 64.

50. Беломытцев М.Ю., Мордашов С.В. Закономерности кратковременной ползучести стали Ст3 // Изв. вуз. Чёрная металлургия. 2015. № 11. С. 798 - 801.

Дата поступления: 07.09.2017

Главный редактор

Леонтьев Леопольд Игоревич

Главный редактор Известия вузов Черная металлургия