Анализ исходных данных и характеристика требуемого материала

Анализ влияния температуры

По данным таблицы 1.2 температура плавления (T_пл) бериллия 1284°С . Заданная рабочая температура (T_р) 250˚С. Отношение a=T_р/T_пл=0,34 a>0,3, значит важным является обеспечение сопротивления высокотемпературной деформации.

Механизм деформации

Заданное напряжение σ_p²⁵⁰ =300 МПа, модуль Юнга (согласно таблице 1.2) Е= 302 ГПа. Соотношение σ_p²⁵⁰ /Е= 0,99*10^-3 .

По карте механизмов деформации Эшби (рисунок 2.1) определяется вид деформаций – область 3 (cleavage 3) , дислокационная ползучесть [5,6].

Рисунок 2.1 - Карта деформации бериллия [5]

Зaдaннoe нaпряжeниe для oснoвы при рaбoчeй тeмпeрaтурe: σ_р= 300 МПa. Учитывaя кoэффициeнты зaпaсa n_в=2,5 и n_0,2=1,5 пoлучaeм:

σ_p²⁵⁰·n_в=300·2,5=750 МПа; σ_в²⁵⁰ = 700 МПа,

σ_p²⁵⁰·n_0,2=300·1,5=450 МПа; σ_0.2²⁵⁰=680 МПа.

Знaчит, зaдaннaя oснoвa oбeспeчит нeoбхoдимую прoчнoсть, нo oнa нe oблaдaeт нeoбхoдимoй плaстичнoстью.

Возможные способы повышения пластичности основы:

Ø легирование;

Ø термомеханическая обработка (спекание, обработка давлением).

Влияние облучения

Флюенс нейтронов за время работы отражателя нейтронов в течении 40 лет составят:

Ø для тепловых нейтронов Ф_т=0,5·10¹⁹·40·364·24·60·60=6,3·10²⁷ н/м²;

Ø для быстрых нейтронов Ф_б=2,6·10¹⁹·40·364·24·60·60=3,2·10²⁸ н/м².

· Радиационное упрочнение и охрупчивание

Рабочая температура составляет 0,34Т_пл. Радиационное упрочнение сильно проявляется при температурах Т<0,25Т_пл. А при повышении температур до Т=0,6Т_пл степень упрочнения наоборот снижается. По этим данным в рабочих условиях возможно не значительное проявление радиационного упрочнения.

Высокотемпературное радиационное охрупчивание (ВТРО), заключается в значительном и необратимом снижении пластичности материала, облученного при температурах выше 0,5Т_пл. Значит данной работе , при заданных рабочих условиях влияние ВТРО будет незначительным.

Низкотемпературное радиационное охрупчивание (НТРО), аналогично ВТРО, с точки зрения влияния на механические характеристики, но наблюдается при низких температурах (Т<(0,3-0,4)Т_пл), значит НТРО является возможным видом радиационного повреждения [4].

· Радиационное распухание

Радиационное распухание происходит в интервале температур от Т=0,2Т_пл до 0,55Т_пл. Следовательно, также следует учитывать явление радиационного распухания.

Облучение бериллия нейтронами сопровождается двумя основными ядерными реакциями:

(1) Be⁹(n, 2n) Be⁸; Be⁸ 2Не⁴,

имеющей место при энергиях нейтронов E>1,85 Мэв и

(2) Be⁹ (n, α) Не⁶; Не⁶ Li⁶; (2a) Li⁶(n,α) Не³,

протекающей при энергиях нейтронов выше 0,71 Мэв.

Ядерное взаимодействие первого типа является источником накопления газа в металле, так как его продукт Be⁸ немедленно распадается на два атома Не⁴; это взаимодействие — также существенный источник нейтронов в ядерном реакторе с бериллиевым отражателем.

Вторая реакция сопровождается переходом нестабильного Не⁶ в Li⁶ с периодом полураспада 0,85 сек; Li⁶ «выгорает» в нейтронном потоке почти сразу после образования. При каждом акте захвата нейтрона ядром Li⁶ образуется по одному атому гелия и трития; α-частицы, возникающие в качестве побочных продуктов этих реакций, также образуют атомы гелия.

Тритий, радиоактивный изотоп водорода с периодом полураспада 12,4 года, постепенно превращается в Не³. Хотя относительное количество образующегося трития мало, радиоактивность 1 г облученного бериллия со­ставляет 1,6 кюри.Испускаемое тритием β-излучение имеет очень малую энергию (0,02 Мэв)и не может проникнуть даже через слой металла толщиной 5 мкм. Отметим, что при всех видах облучения для бериллия высокой чистоты характерна малая величина наведенной активности.

Концентрация гелия, образующегося по приведенным выше ядерным реакциям, определяется следующим образом:

,

где Ф_R и Ф_T — соответственно интегральные потоки быстрых и тепловых нейтронов; σ_n, σ_α и σ_Li— эффективные сечения реакций (1), (2) и (2а), оцениваемые в 100, 100 и 1000 барн.

По расчетам объем газа, выделяющегося при (1) и (2—2а) реакциях, составляет соответственно 2· 10^-21 и 5,7·10^-22 см³/смнакаждый нейтрон, энергия которого превышает пороговую.

По степени накопления газа в единице объема на 1 нейтрон/см²бериллий занимает одно из первых мест и уступает лишь бору, Li⁶ и Mg²⁵, значительно превосходя другие элементы [4].

Гелиевое распухание Be сильно зависит от технологии получения металла. В таблице 2.1 показана зависимость содержания гелия от типа исходного бериллия.

Таблица 2.1. Условия облучения и содержание гелия в облученном Be [4].

Исходный Be	Интегральный поток, н/м2	t, оС	Cодержание гелия, ат.%
Горяче- прессованный	2,75 * 1026	280-480	0,32-0,4
Экструдированный	1,86 * 1025		0,027
Прессованный, экструдированный, прокатанный	(1,3 – 6 ) * 1025	60-780	0,019-0,09
Спеченный и экструдированный	(5,5 – 9 ) * 1025	450-650	0,079 – 0,11

Из таблицы 2.1. следует, что наиболее подвержен гелиевому распуханию горячепрессованный бериллий, поэтому этого вида термообработки необходимо избежать.

Поскольку размер атомов гелия больше, чем атомов Be, энергетически выгодно, чтобы гелий накапливался у дислокаций [4]. Очевидно, преобладающее декорирование дислокаций атомами гелия создает благоприятные условия для образования пузырей на дислокациях. Фактически, распухание оказывается незначительным, если мал радиус пузырька. Это значит, что увеличение плотности дислокаций при прокатке должно способствовать снижению склонности материала к распуханию.

Поскольку центрами образования пузырей в матрице зерен могут служить также выделения вторых фаз, то изменения их размеров, количества и распределения, вызванные термообработкой или специальными методами (легированием, очисткой и т.п.) приводят к заметным вариациям в распределении размеров пузырей.

К примеру распухание бериллия марок ТВ-56, ТВ-30, ТИП и ДИП (изготовленных по технологиям горячего выдавливания и горячего изостатического прессования в исходном состоянии и после облучения в реакторе СМ при температуре 70 ⁰C в диапазоне флюенсов нейтронов (0,2–18,0)*10²²см^-2 (E>0,1 МэВ).), облученного при 70 °С, монотонно возрастает с увеличением флюенса нейтронов. При этом отсутствуют существенные различия между распуханием образцов отдельных марок, а также между плотностью [4]. Ни рисунке 2.2 показана зависимость распухания бериллия марки ТВ-56 в зависимости от флюенса нейтронов.

Рисунок 2.2 - Зависимость распухания бериллия марки ТВ-56 от флюенса [7]

Можно сделать вывод о том, что распухание в зависимости от облучения монотонно возрастает [7]. По известным данным [8] распухание в бериллии до температуры облучения 300⁰С и флюенсе (2-6)*10²² см^-22 не превышает (4-4,5)%.

· Радиационный рост и ползучесть

Радиационная ползучесть наблюдается на всем интервале температур при облучении металлов, а при температурах Т<0,5Т_пл радиационная составляющая ползучести преобладает над термической составляющей. Значит, в заданном интервале рабочих температур будет наблюдаться радиационная ползучесть.

Радиационный рост является характерным эффектом, особенно для металлов с ГПУ решеткой, поэтому, при данных флюенсах и температурах облучения будет наблюдаться радиационный рост [4].

Основными параметрами для ГПУ -решетки бериллия являются «а» и «с» параметры. Зависимость изменения решетки от флюенса нейтронов представлена на рисунке 2.3. Параметр «а» определен базисной плоскостью (0001), увеличивается с флюенсом нейтронов (а), а параметр «с», который является перпендикуляром базисной плоскости уменьшается с увеличением нейтронной плотности потока (б). Однако, общий объем элементарной ячейки «V» из бериллия уменьшается с флюенсом нейтронов.

Рисунок 2.3 – Зависимость роста параметров кристаллической решетки бериллия от флюенса нейтронов при температуре 200⁰С [8]

Параметр «а» определен базисной плоскостью (0001), увеличивается с флюенсом нейтронов (а), а параметр «с», который является перпендикуляром базисной плоскости уменьшается с увеличением нейтронной плотности потока (б). Однако, общий объем элементарной ячейки «V» из бериллия уменьшается с увеличением флюенса нейтронов [8].

Таким образом, будут наблюдаться: радиационное упрочнение, НТРО, радиационная ползучесть, радиационный рост и радиационное распухание.