2. Влияние облучения на свойства материалов
Изменяющиеся напряжения в цикле нагружения в общем случае приводят к упругим, пластическим деформациям и деформациям ползучести. Упругие и пластические деформации реализуются мгновенно, деформации ползучести развиваются постепенно. Деформация зависит от изменения температуры конструкции и действия облучения, приводящих к изменению как кратковременных механических свойств (предела текучести, диаграммы деформирования), так и длительных механических свойств (характеристик ползучести, длительной прочности).
Изменение механических свойств материалов под действием облучения объясняется нарушениями кристаллической решетки твердых тел под действием облучения. Образующиеся дефекты ускоряют процессы диффузии, создают центры выделения новых фаз. Объединяясь, дефекты тормозят движение дислокаций и тем самым упрочняют материал. Под действием облучения в результате ядерных реакций образуются новые атомы, которые при достаточном их количестве могут выделиться в отдельную фазу (например, пузырьки гелия в бериллии).
Основное влияние облучения состоит в снижении пластических свойств и уменьшении, удлинения, а также в повышении пределов текучести и прочности. Опасное последствие облучения повышение температуры перехода материала от пластического состояния к хрупкому, при этом материал теряет способность перераспределять неравномерные напряжения, что способствует возникновению локальных перенапряжений и может привести к хрупкому разрушению. Хрупкое разрушение, как правило, связано со снижением, температуры изделия в процессе эксплуатации.
Изменение механических свойств материалов при облучении устанавливается экспериментально. В большинстве исследований облучение характеризуется флюенсом нейтронов с энергией, превышающей некоторую пороговую (Е > Ео).
,
(1)
где
(Е,
t)
функция распределения энергий нейтронов.
Иногда за дополнительную характеристику
условий облучения принимают среднюю
энергию нейтронов
:
.
(2)
Для получения достоверных данных о влиянии флюенса нейтронов на механические характеристики материалов испытания следует проводить в условиях, максимально приближенных к рабочим по спектру и температуре облучения. Для тонкостенных конструкций, в первую очередь для оболочек твэлов и чехлов каналов (сборок), работающих в коррозионно-активных средах, испытания должны проводиться на натурных образцах в натурной рабочей среде.
При больших флюенсах быстрых нейтронов (Ф > 1022 нейтр./см2, Е 0,1 МэВ) и температурах, равных 0,3…0,5 температуры плавления, конструкционные материалы могут распухать (увеличиваться в объеме) вследствие образования вакансий. Распухание зависит от флюенса, температуры материала, а также от напряженного состояния конструкции и при флюенсе 1023 нейтр./см2 для аустенитных нержавеющих сталей может достигать ~ 10 % первоначального объема.
Для свободного (ненапряженного) распухания аустенитных сталей типов 304 и 316 справедлива следующая эмпирическая зависимость для относительного изменения объема
,
(3)
где
= 0,43
10-50;
s
= 1,71;
;Ф
7 1022
нейтр./см2;
Е
0,1 МэВ; Т
измеряется в кельвинах.