Влияние скорости охлаждения из β-области на фазовые превращения в сплаве Zr–2.5Nb

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Методами рентгеноструктурного анализа и сканирующей электронной микроскопии, включающей ориентационный анализ с использованием дифракции обратнорассеянных электронов, исследованы морфологические и кристаллографические особенности двухфазных α+β-состояний в сплаве Zr–2.5Nb, сформированных при охлаждении из β-области с различными скоростями охлаждения (“вода”, “воздух”, “печь”). При кристаллографическом анализе помимо ориентационных карт (EBSD) были использованы спектры разориентаций межкристаллитных и межфазных границ, а также восстановление высокотемпературных β-зерен по ориентационным соотношениям Бюргерса. Показано, что при существенных различиях в морфологических особенностях структурных состояний, обусловленных скоростями охлаждения, кристаллографически наблюдается практически одна и та же картина: полное совпадение спектров разориентаций межкристаллитных (α'/α' и α/α) и межфазных (α'/β и α/β)-границ. Рентгеновский анализ не зафиксировал наличие в структуре сплава β-фазы при закалке в воду, но показал ее заметное количество при меньших скоростях охлаждения. При этом химический состав β-фазы является близким к точке нонвариантного превращения (~ 20 ат. % Nb). Сделано предположение, что при всех скоростях охлаждения фазовые превращения реализуются по одному и тому же механизму – сдвиговая перестройка решетки ОЦК↔ГПУ, сопровождающаяся направленными перескоками отдельных атомов. Подтверждено, что наблюдающаяся β-фаза является не сохраненной из высокотемпературной области, а выделившейся в процессе фазовых превращений по механизму сдвиг-тасовка на сформированных ранее α'/α'- или α/α-границах.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

В. Ю. Ярков

Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина; АО Институт реакторных материалов

Email: m.l.lobanov@urfu.ru
Россия, ул. Мира, 19, Екатеринбург, 620002; а/я 29, Заречный, Свердловская область, 624250

В. И. Пастухов

Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина; АО Институт реакторных материалов

Email: m.l.lobanov@urfu.ru
Россия, ул. Мира, 19, Екатеринбург, 620002; а/я 29, Заречный, Свердловская область, 624250

М. А. Зорина

Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

Email: m.l.lobanov@urfu.ru
Россия, ул. Мира, 19, Екатеринбург, 620002

С. В. Соловьева

Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина; АО Институт реакторных материалов

Email: m.l.lobanov@urfu.ru
Россия, ул. Мира, 19, Екатеринбург, 620002; а/я 29, Заречный, Свердловская область, 624250

А. А. Редикульцев

Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

Email: m.l.lobanov@urfu.ru
Россия, ул. Мира, 19, Екатеринбург, 620002

М. Л. Лобанов

Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина; Институт физики металлов имени М. Н. Михеева УроРАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: m.l.lobanov@urfu.ru
Россия, ул. Мира, 19, Екатеринбург, 620002; ул. Софьи Ковалевской, 18, Екатеринбург, 620108

Список литературы

  1. Добромыслов А.В., Талуц Н.И. Структура циркония и его сплавов. Екатеринбург, 1997. 230 с.
  2. Дуглас Д. Металловедение циркония. М.: Атомиздат, 1975. 250 с.
  3. Займовский А.С., Никулина А.В., Решетников Н.Г. Циркониевые сплавы в ядерной энергетике. М.: Энергоатомиздат, 1994. 256 с.
  4. Тарараева Е.М., Муравьева Л.С., Иванов О.С. Строение и свойства сплавов для атомной энергетики. М.: Наука, 1973. 138 с.
  5. Шебалдов П.В., Никулина А.В., Агеенкова Л.Е., Кожевникова Н.В. Структура и свойства сплавов циркония с ниобием. М.: ВНИИНМ, 1977. 44 с.
  6. Никулина А.В., Решетников Н.Г., Шебалдов П.В. Технология изготовления канальных труб из сплава Zr-2,5%Nb, установленных в реакторах РБМК // Вопр. атомной науки и техники. Сер. Материаловедение и новые материалы. 1990. Вып. 2(36). C. 46–53.
  7. Ou P., Zhang T., Wang J., Li C., Shao C., Ruan J. Bone response in vivo of Ti-45Zr alloy as dental implant material // J. Mater. Sci.: Materials in Medicine. 2022. V. 33. Р. 47.
  8. Mehjabeen A., Song T., Xu W., Tang H.P., Qian M. Zirconium Alloys for Orthopaedic and Dental Applications // Advanced Eng. Mater. 2018. V. 20. Р. 1800207.
  9. Tang J., Yang H., Qian B., Zheng Y. TWIP-assisted Zr alloys for medical applications: Design strategy, mechanical properties and first biocompatibility assessment // J. Mater. Technol. 2023. V. 184. P. 32–42.
  10. Chopra D., Jayasree A., Guo T., Gulati K. Advancing dental implants: Bioactive and therapeutic modifications of zirconia // Bioactive Mater. 2022. V. 13. P. 161–178.
  11. Adamson R.B., Coleman C.E., Griffiths M. Irradiation Creep and Growth of Zirconium Alloys: A Critical Review // J. Nucl. Mater. 2019. V. 521. P. 167–244.
  12. Idress Y., Yao Z., Kirk M.A., Daymond M.R. In situ study of defect accumulation in zirconium under heavy ion irradiation // J. Nucl. Mater. 2013. V. 433. P. 95–107.
  13. Warwick R.A., Rhys T., Boleininger M., Zilahi G. Dislocation density transients and saturation in irradiated zirconium // Intern. J. of Plasticity. 2024. V. 164. Р. 103590.
  14. Белозерова А.Р., Белозеров С.В., Шамардин В.К. К вопросу моделирования эффектов ядерной трансмутации при исследовании физических свойств циркониевых сплавов // ФММ. 2020. Т. 121. № 6. С. 564–575.
  15. Yagnik S., Garde A. Zirconium alloys for LWR fuel cladding and core internals // Structural Alloys for Nucl. Energy Appl. 2019. P. 247–291.
  16. Betova I., Bojinov M., Karastoyanov V. Long-Term Oxidation of Zirconium Alloy in Simulated Nuclear Reactor Primary Coolant – Experiments and Modeling // Materials. 2023. V. 16. Р. 2577.
  17. Gajowiec G., Bartmanski M., Majkowska-Marzec B. Hydrogen Embrittlement and Oxide Layer Effect in the Cathodically Charged Zircaloy-2 // Materials. 2020. V. 13. Р. 1913.
  18. Jia Y.J., Han W.Z. Mechanisms of Hydride Nucleation, Growth, Reorientation, and Embrittlement in Zirconium: A Review // Materials. 2023. V. 16. Р. 2419.
  19. Motta A.T., Capolungo L., Chen L.Q., Cinbiz M.N., Daymond M.R., Koss D.A., Lacroix E. Hydrogen in zirconium alloys: A review // J. Nucl. Mater. 2019. V. 518. P. 440–460.
  20. Исаенкова М.Г., Перлович Ю.А., Фесенко В.А., Крымская О.А., Крапивка Н.А. Закономерности рекристаллизации прокатанных моно- и поликристаллов циркония и сплава Zr-1% Nb // ФММ. 2014. Т. 115. № 8. С. 807–815.
  21. Isaenkova M., Krymskaya O., Klyukova K., Bogomolova A. Regularities of Changes in the Structure of Different Phases of Deformed Zirconium Alloys as a Result of Raising the Annealing Temperature According to Texture Analysis Data // Metals. 2023. V. 13. Р. 1784.
  22. Некрасова Г.А., Парфенов Б.Г., Пиляев А.С. Производство циркониевых труб для оболочек твэлов за рубежом. М.: ЦНИИатоминформ, 1976. 102 c.
  23. Пиляев А.С., Клыпина Г.П., Семенова. Л.В. Цирконий в атомной промышленности. Выпуск 7. М.: ЦНИИатоминформ, 1981. 64 с.
  24. Bickel G.A., Griffiths M., Douchant A., Douglas S., Woo O.T., Buyers A. Improved Zr-2.5Nb pressure tubes for reduced diametral strain in advanced CANDU reactors // American Society for Testing and Materials. Zirconium in the Nuclear Industry. 2010. V. 1529. Р. 327–348.
  25. Рогачев С.О., Рожнов А.Б., Никулин С.А., Рыбальченко О.В., Горшенков М.В., Чжен В.Г., Добаткин С.В. Влияние режимов кручения под высоким давлением на структуру и упрочнение сплава Zr-1% Nb // ФММ. 2016. Т. 117. № 4. С. 385–391.
  26. Holzer R., Kaden W. Development, and preset status of zircaloy cladding technology for pressurized water reactors in the Federal Republic of Germany. In: Physical metallurgy of reactor fuel elemtns. London, 1975. P. 180.
  27. Tyzack G., Hurst P. SCANUK: a collaborative programme to develop new zirconium cladding alloys // J. Nucl. Mater. 1977. V. 66. P. 163–186.
  28. Lobanov M.L., Yarkov V. Yu., Pastukhov V.I. The Effect of Cooling Rate on Crystallographic Features of Phase Transformations in Zr-2.5Nb // Materials. 2023. V. 16. Р. 3758.
  29. Burgers W.G. On the Process of Transition of the Cubic-Body-Centered Modification into the Hexagonal-Close-Packed Modification of Zirconium // Physica. 1934. V. 1. P. 561–586.
  30. Кириченко В.Г., Азаренков Н.А. Ядерно-физическое металловедение сплавов циркония. Харьков: ХНУ им. В.Н. Каразина, 2012. 122 с.
  31. Горностырев Ю.Н., Кацнельсон М.И., Кузнецов А.Р., Трефилов А.В. Моделирование мартенситных превращений в кристаллах bcc Zr с дислокациями различных типов // ФММ. 2001. Т. 91. № 3. С. 244–251.
  32. Morris J.R., Ho K.M. Molecular dynamic simulation of a homogeneous bcc -> hcp transition // Phys. Rev. B. 2001. V. 63. Р. 224116.
  33. Gornostyrev Yu.N., Katsnelson M.I., Kuznetsov A.R. Modeling of Martensitic Transformations in a Crystal with Different Types of Dislocations in Bcc-Zr // JETPh Lett. 1999. V. 70. P. 380–384.
  34. Liang S.H., Li J.H., Liu B.X. Solid-State Amorphization of an Immiscible Nb–Zr System Simulated by Molecular Dynamics // Comput. Mater. Sci. 2008. V. 42. P. 550–557.
  35. Heiming A., Petry W., Trampenau J., Alba M., Herzig C., Schober H.R., Vogl G. Phonon Dispersion of the Bcc Phase of Group-IV Metals. II. Bcc Zirconium, a Model Case of Dynamical Precursors of Martensitic Transitions // Phys. Rev. B. Condens. Matter. 1991. V. 43. Р. 10948.
  36. Blank V.D., Kulnitskiy B.A. The Habit Plane of Martensite at BCC-HCP Phase Transformation // Scr. Mater. 1997. V. 37. P. 373–376.
  37. Davis A.E., Donoghue J., Kennedy J.R., Byres N., Prangnell P.B. In-Situ Observation of Single Variant α Colony Formation in Ti-6Al-4V // Acta Mater. 2021. V. 220. P. 117315.
  38. Tomida T., Vogel S.C., Onuki Y., Sato S. Texture Memory in Hexagonal Metals and Its Mechanism // Metals (Basel). 2021. V. 11. P. 1653.
  39. Лобанов М.Л., Пастухов В.И., Редикульцев А.А. Влияние специальных границ на γ→α-превращение в аустенитной нержавеющей стали // ФММ. 2021. Т. 122. № 4. С. 424–430.
  40. Lobanov M.L., Zorina M.A., Reznik P.L., Pastukhov V.I., Redikultsev A.A., Danilov S.V. Specific Features of Crystallographic Texture Formation in BCC-FCC Transformation in Extruded Brass // J. Alloys Compd. 2021. V. 882. P. 160231.
  41. Nolze G. Tetragonality mapping of martensite in a high-carbon steel by EBSD // Mater. Character. 2021. V. 175. P. 111040.
  42. Zisman A. Extraction of prior grain boundaries from interfaces of martensite based on particular statistics for inter-variant disorientations // Letters Mater. 2018. V. 8. P. 436–441.
  43. Cluff S. Crystallographic Reconstruction of Parent Austenite Twin Boundaries in a Lath Martensitic Steel / IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. IOP Publishing, 2018. V. 375. P. 012012.
  44. Gomes E., Kestens L.A.I. Fully automated orientation relationship calculation and prior austenite reconstruction by random walk clustering // IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. IOP Publishing, 2015. V. 82. P. 012059.
  45. Huang C.-Y., Ni H.-C., Yen H.-W. New protocol for orientation reconstruction from martensite to austenite in steels // Materiala. 2020. V. 9. P. 100554.
  46. Christian J.W. The Theory of Transformations in Metals and Alloys. Pergamon. 2002. P. 1216.
  47. Горелик С.С., Скаков Ю.А., Расторгуев Л.Н. Рентгенографический и электронно-оптический анализ.: Учеб. Пособие для вузов. М.: МИСИС, 2002. 360 с.
  48. Dobromyslov A.V., Taluts N.I., Kazantseva N.V., Kozlov E.A. Formation of adiabatic shear bands and instability of plastic flow in Zr and Zr-Nb alloys in spherical stress waves // Scripta. Mater. 2000. V. 42. P. 61–71.
  49. Добромыслов А.В. Определение границ области существования метастабильной ω-фазы в сплавах титана и циркония // ФММ. 2023. Т. 124. № 12. С. 1220–1229.
  50. Рыкова Е.А., Хунджуа А.Г. Количественный фазовый анализ при исследовании распада β-твердого раствора в ряде сплавов на основе титана и циркония // Вестник Московского ун-та. 2004. № 2. С. 34–37.
  51. Van Bohemen S.M.C., Kamp A., Petrov R.H., Kestens L.A.I., Sietsma J. Nucleation and Variant Selection of Secondary α Plates in a β Ti Alloy // Acta Mater. 2008. V. 56. P. 5907–5914.
  52. Shi R., Dixit V., Viswanathan G.B., Fraser H.L., Wang Y. Experimental Assessment of Variant Selection Rules for Grain Boundary α in Titanium Alloys // Acta Mater. 2016. V. 102. P. 197–211.
  53. Farabi E., Tari V., Hodgson P.D., Rohrer G.S., Beladi H. The Role of Phase Transformation Mechanism on the Grain Boundary Network in a Commercially Pure Titanium // Mater. Charact. 2020. V. 169. P. 110640.
  54. Lobanov M.L., Zorina M.A., Karabanalov M.S., Urtsev V.N., Redikultsev A.A. Phase Transformation Crystallography in Pipeline HSLA Steel after TMCP // Metals. 2023. V. 13. P. 1121.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Микроструктура сплава Zr–2.5Nb в исходном состоянии и после различных режимов охлаждения (СЭМ, отраженные электроны): а, б – исходное состояние; в, г – охлаждение в воде; д, е – на воздухе; ж, з – в печи.

Скачать (65KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Ориентационный анализ исходного состояния сплава Zr–2.5Nb: а – контраст в обратнорассеянных электронах; б – карта основных ориентаций в цветах обратной полюсной фигуры.

Скачать (30KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Ориентационный анализ структуры сплава Zr–2.5Nb после различных режимов охлаждения: реконструкция высокотемпературных зерен β-фазы (а, г, ж), контраст дифракции обратнорассеянных электронов (б, д, з), карты основных ориентаций кристаллитов α-фазы (в, е, и); а, б, в – вода; г, д, е – воздух; ж, з, и – печь.

Скачать (103KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Спектры углов разориентаций кристаллитов α'(α)-фазы (а, в, д) и углов отклонений межфазных границ α'(α)/β от ОС Бюргерса (б, г, е): а, б – после охлаждения в воде; в, г – после охлаждения на воздухе; д, е – после охлаждения в печи.

Скачать (66KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Дифрактограммы образцов сплава Zr–2.5Nb после различных режимов охлаждения: а – в исходном состоянии; б – в воде; в – на воздухе; г – в печи.

Скачать (70KB)
Метаданные


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».