CC BY
9m АТОМНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
Ш=т ATOMIC ENERGY
Статья поступила в редакцию 22.09.10. Ред. рег. № 864 The article has entered in publishing office 22.09.10. Ed. reg. No. 864
УДК 621.034.51:538.8
ОБ УСТОЙЧИВОСТИ РЕЗОНАНСНЫХ ЧАСТОТ ИЗГИБНЫХ КОЛЕБАНИЙ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА САВ-1
И.Х. Абдукадырова
Институт ядерной физики Академии наук Узбекистана 100214 Узбекистан, Ташкент, Мирзо-Улугбекский р-н, п. Улугбек Е-mail: [email protected]
Заключение совета рецензентов: 12.10.10 Заключение совета экспертов: 22.10.10 Принято к публикации: 27.10.10
В работе определены данные по устойчивости резонансных частот изгибных колебаний в области низких частот и ряду основных модулей упругих параметров сплава САВ-1 при естественных условиях хранения, при действии различных доз ионизирующего излучения на основе отснятых спектров колебаний и соответствующих расчетов. Установлена закономерность нелинейного модифицирования упругих свойств сплава при его радиационной обработке. Анализируется возможная природа выявленных радиационных эффектов, предполагается, что основной причиной некоторого изменения упругости материала является его повреждение, изменение межатомного взаимодействия в решетке сплава и состояния его структуры, выпадение фаз внедрения, их распад и рассеяние по всему объему.
Ключевые слова: спектры, колебания, дисперсия, резонансный, частота, акустический, упругость, сплав, ультразвук, дозa.
ABOUT STABILITY OF RESONANT FREQUENCY VIBRATION OF ALUMINIUM ALLOY SAV-1
I.KH. Abdukadirova
Institute of Nuclear Physics, Academy of Sciences of Uzbekistan Ulugbek, Mirzo-Ulugbekski reg., Tashkent, 100214, Uzbekistan Е-mail: [email protected]
Referred: 12.10.10 Expertise: 22.10.10 Accepted: 27.10.10
The paper presents data on stability of bending oscillations resonance frequencies in a low-frequency region and on a number of main modules of elastic parameters of CAB-1 alloy at natural storing conditions and effect of different doses of ionizing radiation, based on recorded oscillation spectra and corresponding calculations. Regularity of a non-linear modification of the elastic properties of the alloy at its radiation processing has been determined. Possible nature of the revealed radiation effects is analyzed. It is supposed that the main reason of the material elasticity change is its damage, change of interatomic interaction in the alloy lattice and its structure state, formation of interstitial phases, their decomposition and scattering on the volume.
Keywords: spectra, vibration, dispersion, resonant, frequency, асоustic, elastic, alloy, ultrasound, dose.
В физике твердого тела и радиационном материаловедении в исследовании физических свойств и строения структуры материалов важное значение приобретает возможность изучения этих свойств на основе применения ультразвуковой методики. В этой связи можно отметить особую информативность акустических методов [1, 2] благодаря тому, что, во-первых, получаемая методами спектроскопии информация позволяет судить об упругих свойствах твердых тел в широком диапазоне частот, об их дис-
персии, во-вторых, весьма широк круг вопросов, решаемых с помощью метода ультразвука и важных для целей физико-механических исследований твердых тел (состояние структуры, ее изменение, деформация, характер внутрикристаллических сил, диффузия примесей и дефектов и др.).
В литературе последних лет имеются сообщения, в которых исследуются те или иные свойства материалов путем привлечения указанных методик [3-6]. Так, в [3] рассмотрен отклик сталей при нейтронном
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (91) 2010
© Scientific Technical Centre «TATA», 2010
облучении, их распухание, авторами [4] разработана на базе указанных методик установка для систематического контроля течи в первом и втором контурах реактора ВВЭР, в работе [5] выполнен расчет структуры и упругих параметров вюрцитоподобных оксидов, лишь в [6] рассмотрена деформация при растяжении сплавов. Вместе с тем надо отметить, что на сегодняшний день в публикациях довольно мало сведений о подобных спектроскопических работах с применением ультразвука в некоторых перспективных конструкционных материалах на основе алюминия. Это и определило цель предпринятого нами на основе применения акустических волн исследования устойчивости резонансных частот изгибных колебаний и упругих модулей алюминиевых сплавов САВ-1 при действии внешних факторов путем регистрации спектров колебаний в низкочастотном диапазоне, расчета действительных значений соответствующих частот до и после радиационной обработки образцов, установления закономерностей радиационного изменения ряда упругих характеристик сплава (модуль Юнга Е, модули сдвига и сжатия, коэффициент Пуассона), устойчивости некоторых иных механических свойств после их облучения.
Исследования в данной работе были выполнены на серии образцов алюминиевых сплавов марки САВ-1: образцы № 1 (диски диаметром 15,7 мм и толщиной 1,7 мм), № 2 (диаметр 15,5 мм и толщина 2,8 мм) и № 3 (диаметр 15,7 мм и толщина 3,0 мм). Источниками излучения служил 60Со (поглощенная материалами доза варьировалась в пределах Д = 5 103-1,6 107 Гр) и реактор ВВР-СМ. Определение необходимых механических параметров выбранных материалов проводили с привлечением метода ультразвукового резонанса на установке, собранной по схеме [1], путем регистрации спектров изгибных колебаний в низкочастотном диапазоне (20-200 кГц), а также метода микротвердости.
Изучение устойчивости резонансных частот из-гибных колебаний и упругих модулей алюминиевых сплавов САВ-1 осуществлялось методом резонансной ультразвуковой спектроскопии, сущность которого и установка для необходимых измерений описаны в работе [1]. Задача состояла в снятии спектров колебаний в килогерцевом диапазоне частот, проведении соответствующих расчетов, установлении значений одной из основных характеристик упругости материалов - модуля упругости (модуль Юнга Е), а также других модулей: сдвига, сжатия и коэффициента Пуассона в наборе использованных образцов. Наряду с этим методом микротвердости измерены значения твердости и предела текучести обработанных образцов.
С этой целью в процессе возбуждения ультразвуковых колебаний с помощью метода ультразвукового резонанса в серии подготовленных образцов (образцы № 1-3) регистрировались соответствующие спектры изгибных колебаний и их основные характеристики: амплитуда колебаний (А) и резонансные
частоты (f). В качестве примера в табл. 1 сведены дисперсионные зависимости экспериментальных резонансных частот изгибных колебаний, определенные из отснятых в процессе эксперимента спектров в образце № 1, аналогичные значения резонансных частот колебаний f(m, n) получены и в образце № 2. Исходя из этих данных и таблиц [1], вычислялись значения упругих характеристик - коэффициентов упругости K(m, n) и резонансных частот fm, n), затем были рассчитаны величины упругого параметра для набора образцов по следующей формуле:
f m, n) = [K(m, n)/d] \JETp], (1)
где fm, n) - резонансная частота; K(m, n) - коэффициент упругости; d и p - диаметр и плотность образцов; E - модуль упругости (модуль Юнга).
Таблица 1
Частотная зависимость резонансных колебаний f (кГц) и их основных характеристик K(m,n), f(m,n) и Е для образца № 1
Table 1
Frequency dependence of resonance oscillations f (kHz) and their main characteristics (K(m, n), f(m, n) and Е) for sample 1
f кГц K(m, n) fm, n) Е, 1010 Н/м2
53,693 0,1051 (0,2) 8,35
71,984 0,1825 (1,0) 5,76
93,496 0,2324 (0,3) 6,30
113,987 0,3848 (1,1) 6,13
149,321 0,4546 (0,2) 7,66
168,625 05368 (0,1) 9,12
В качестве примера результаты расчетов искомых параметров (резонансная частота, коэффициент упругости, модуль упругости) сведены в табл. 1 для образца № 1. В целом результаты расчета по формуле (1) среднего значения модуля упругости образцов № 1-3, рассчитанные в функции резонансных частот, следующие: (7,22, 6,90 и 7,48)-1010 Н/м2. Видно, что усредненное значение модуля равно Е = 7,2-1010 Н/м2. Поскольку в печати мало сведений о свойствах данного конструкционного материала, в первом приближении было использовано значение Е в металлическом алюминии - Е = 7,1-1010 Н/м2. Видно, что обе величины близки друг другу. Это позволяет заключить, что введение в шихту добавок ряда элементов (Mg, 81, Си, Бе), варьирование самих пластин практически не отразилось на его упругих свойствах. Прослежено влияние естественных условий хранения образцов (время выдержки в течение нескольких суток путем снятия дисперсионных зависимостей через 2-4 ч, температура - около 25-30 °С) на изме-
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 11(91) 2010 © Научно-технический центр «TATA», 2010
Атомная энергетика
ряемые параметры, результаты свидетельствуют об их устойчивости. По значениям двух наиболее низких частот изгибных колебаний пластин и коэффициента упругости:
М = /(1,0) //(0,2), N = К (1,0) / К (0,2) (2)
с помощью таблиц [1] определен другой механический параметр - коэффициент Пуассона (V). Результат этих вычислений для набора образцов дан в табл. 2, из которой видно, что численные значения коэффициентов близки. Полученное среднее значение коэффициента Пуассона было использовано для вычисления модулей упругости сплава: О - сдвига и В - объемного - по следующим формулам:
G = El(2 + 2v), B = £/[3(1 - 2v)].
(3)
Таблица 2
Сводная таблица средних значений модулей упругости v, G, B образцов № 1-3
Table 2
Summary table of average values of elasticity modules v, G, B of samples 1-3
№ образца v G, 1010 Н/м2 В, 1010 Н/м2
1 0,350 2,654 8,201
2 0,352 2,536 7,849
3 0,382 2,750 8,500
среднее 0,361 2,647 8,183
цирования данного механического параметра материала. В начале облучения (при Д1 = (1-5)-106 Гр) обнаружено его снижение, во второй области (Д2 = (5-8)-106 Гр) - повышение, а при больших дозах (Д3 > 8-106 Гр) процесс замедляется, на кривой Е(Д) появляется «плато». Экспериментально установлена аналогичная трехстадийная радиационная кинетика и для модуля сдвига и объемного модуля.
В табл. 2 сведены полученные по формуле (3) величины обоих модулей всех исходных пластин. Как в случае с модулем Е, так и для этих модулей была проведена параллель с аналогичными параметрами в металлическом А1. На основе этого сделан вывод о том, что средние значения модулей Юнга и сдвига в САВ-1 близки к таковым в металлическом состоянии алюминия. Что касается двух других механических параметров (V, В), то их величины в сплаве несколько выше, что характеризует улучшение упругих свойств материала, ибо его сопротивляемость, например, объемному сжатию, больше. Для определения радиационной устойчивости упругих характеристик САВ-1 исследовано влияние ионизирующего излучения на эти параметры. Установлено, что при малых дозах (до Д = 105 Гр) упругий параметр весьма устойчив и его дисперсионные зависимости аналогичны исходным. Однако по мере повышения поглощенной дозы (Д = 105-106 Гр) он становится менее стойким, ибо значения основного упругого модуля претерпевают некоторое изменение. В качестве примера на рисунке изображена дозовая зависимость вычисленного модуля Юнга САВ-1, прослеженная на одном и том же образце (№ 1). Анализ ее показывает нелинейный трехстадийный характер модифи-
Дозовая зависимость модуля упругости Юнга сплава САВ-1 Dose dependence of Junge elasticity module of CAB-1 alloy
Известно [7], что в алюминиевых сплавах наиболее распространенными повреждениями являются точечные дефекты (вакансии, междоузельные атомы, примеси), их скопления и дислокации, что при деформации материала концентрации их возрастают, начинается межатомное взаимодействие в сплаве и примесях, приводящее к изменению его исходного состояния. Основываясь на этом и представлениях авторов [8], выдвинута следующая концепция радиационного модифицирования модуля нормальной упругости САВ-1. Согласно концепции, полагаем, что в результате деформации и повреждения исходного состояния, возникающих в начале действия радиации на САВ-1, способность его сопротивляться деформации продольного растяжения снижается, не исключено влияние диффузии и выделение имеющихся в материале примесных и других элементов, некоторое изменение элементного состава [9] сплавав (стадия смягчения нормального модуля упругости). Предполагается, что при Д2 образуются скопления дефектов [8] - мелкие кластеры, размеры которых растут, наступает стадия повышения упругости, затем (Д3) их размеры достигают критических и в системе наступает «тряска». Исходя из [9], допускаем, что на данном этапе облучения значительными дозами за счет изменения межатомного взаимодействия в ГЦК решетке сплава и растворенных в нем элементов появляются четкие границы раздела, выпадают, раздробляются и рассеиваются растворенные в матрице интерметаллические фазы, что сопровождается упроч-
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (91) 2010
© Scientific Technical Centre «TATA», 2010
нением материала. При достижении больших доз 2 107 Гр обнаружено преобразование спектра у частоты с максимумом f = 149 кГц, когда эта интенсивная полоса распадается на две с максимумами f = 151 и f = 153 кГц. Предполагается, что такое видоизменение спектра колебаний САВ-1 обусловлено скоплением радиационных дефектов либо вкраплением иных фаз в структуру сплава.
Наряду с этим для определения устойчивости других механических свойств при n-y облучении сплава исследована микротвердость и предел текучести От, расчет которых проводился по формулам [10-12]
Н = 1854P/d2; От = Нц/(3,1± 0,1), (4)
где Р - вес нагрузки; d - диагональ отпечатка. Дозо-вые зависимости НДФ) и От(Ф) представлены в табл. 3, из которой следует вывод о некотором повышении обоих параметров с ростом флюенса нейтронов Ф. По-видимому, радиационное упрочнение материала приводит к повышению напряжения, необходимого для относительного сдвига межатомных плоскостей в ГЦК решетке САВ-1.
Таблица 3
Радиационная кинетика функций Нц( Ф ) и от ( Ф ) облученного сплава
Table 3
Radiation kinetics of functions Н ц( Ф ) and о т ( Ф ) of irradiated alloy
Ф, См-2 0 1015 1016 1017 1018
Нц, ГПа 0,64 0,65 0,68 0,74 0,78
Gt, ГПа 0,213 0,216 0,227 0,246 0,263
Выводы
Методом резонансной ультразвуковой спектроскопии исследованы спектры изгибных колебаний алюминиевых сплавов типа САВ-1, определены частотные зависимости собственных колебаний в кило-герцевом диапазоне, значения комплекса упругих модулей (модуль Юнга, модуль сдвига, объемный модуль и коэффициент Пуассона), показана их устойчивость при длительном хранении после извлечения образцов из облучательных каналов. Прослежено влияние у- и и-у-излучения в широких пределах поглощенных доз на их упругие и другие механические характеристики. Установлена закономерность радиационной кинетики упругих свойств, сопровождающаяся их нелинейным модифицированием в деформированном образце. Обсуждаются возможные причины обнаруженных радиационных эффектов
изменения механических характеристик облученных материалов, выдвинута кластерная концепция изменения нормального модуля упругости алюминиевого сплава САВ-1.
Работа выполнена по проекту фундаментальных исследований АН РУз ФА-Ф2-Ф075.
Список литературы
1. Баранов М.В. Акустические измерения в ядерной энергетике. М.: Энергоиздат, 1990.
2. Ультразвуковые методы исследования дислокаций. Сборник под редакцией Л.Г. Меркулова. М.: ИИЛ, 1963.
3. Allen T.R., Cole J.I., Trybus C.L. The effect of dose rate on the responce of austenitic stainless steels to neutron radiation // J. Nucl. Mater. 2006. Vol. 348, No. 1-2. Р. 148-154.
4. Морозов С.А., Ковтун С.Н., Бударин А.А. и др. Разработка систем акустического контроля течей // Атомная энергия. 2007. Т. 103, вып. 6. С. 342-347.
5. Шейн И.Р., Кийко В.С., Макурия Ю.Н. и др. Упругие параметры моно- и поликристаллических вюрцитоподобных BeO b ZnO: ab inito расчеты // ФТТ. 2007. Т. 49, вып. 6. С. 1015-1020.
6. Ветехин В.И., Кодомцев А.Г., Sclenicka V. На-нопористость ультракристаллического алюминия и сплавов на его основе // ФТТ. 2007. Т. 49, вып.10. С. 1787-1790.
7. Алюминиевые сплавы. Жаропрочные и высокопрочные сплавы. Отв. редактор Фридляндер И.Н. М.: Металлургия, 1966.
8. Винецкий В.Л., Калнинь Ю.Х., Котомин Е.А. и др. Радиационно-стимулированная агрегация дефектов Френкеля в твердых телах // УФН. 1990. Т. 160, № 10. С. 1-33.
9. Абдукадырова И.Х., Байтелесов А.А., Досим-баев.С.А., Салихбаев У.С., Халиков У.А. Влияние реакторного излучения на элементный состав и структуру конструкционных материалов типа алюминиевых сплавов САВ-1 // Сб. тезисов докл. 8 Росс. конф. по реакторному материаловедению. 21-25 мая 2007 г. Димитровград. 2007. С. 178-179.
10. Боярская Ю.С., Вальковская М.И. Микротвердость. Кишинев: Изд-во Штиинца, 1981. С. 69.
11. Hawk J.A.R, Franck R.E., Wilsdorf H.G. Yield stress as determined from hardness measurements for mechanically alloyed aluminium base alloys // Metallurgical Transations A. 1988. Vol. 19 A. P. 2366
12. Абдукадырова И.Х., Таджибаев Д.П. Влияние реакторного излучения на микротвердость авиалей // Сб. докл. 2 Респ. конф. молодых физиков Узбекистана. 24-26 ноября 2008 г. Ташкент. 2008 г. С. 185-190.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 11(91) 2010 © Научно-технический центр «TATA», 2010
