СПОСОБ ОЦЕНИВАНИЯ ПРАКТИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УПОРЯДОЧЕННОГО СПЛАВА В РАДИАЦИОННЫХ СРЕДАХ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2007 года по МПК G01N23/00 G01N33/20 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу оценивания практических условий для использования в радиационных средах упорядоченного сплава (в этой заявке использованный термин «сплав» охватывает сплав и интерметаллическое соединение), имеющего упорядоченную структуру. Этот способ является полезным для установления практических условий для использования элементов оборудования или конструкций, изготовленных из упорядоченных сплавов, в средах, в которых используемые материалы подвергаются воздействию излучения, имеющего высокую энергию, например в области ядерной технологии, например в реакторах и ускорителях и в области космической технологии.

Уровень техники

При использовании новых материалов в радиационных средах, в которых излучаются корпускулярные лучи высоких энергий и ожидается возникновение серьезного радиационного повреждения, необходимо заранее оценивать пригодность материалов к использованию в указанных средах и отсутствие в них дефектов в течение длительного времени. Поэтому в предшествующем уровне техники в первую очередь составляют план радиационных испытаний, в котором имитируют окружающие условия, проводят экспериментальные исследования по облучению, при которых параметризируют многие условия облучения, а полученные после облучения систематические данные исследований анализируют, чтобы получать практические условия, в которых материалы могут быть использованы при облучении.

Однако, чтобы провести с высокой точностью оценочный анализ, с помощью которого можно гарантировать высокую степень безопасности и надежность во время использования материалов, необходим длительный период времени и большие затраты на проведение огромного числа испытаний и выполнение достаточного анализа. Например, при разработке материалов для ядерных реакторов деления, при исследовании легководных реакторов и высокотемпературных газовых реакторов и разработке материалов для термоядерного реактора; при этом в случае, когда в радиационных средах используют новые материалы, для которых отсутствует результат по облучению, то для разработки новых материалов типа циркаллоя, хастеллоя ХР, аустенитных нержавеющих сталей, мелкочешуйчатого изотропного графита и т.д. требуется продолжительность разработки порядка 10 лет с неизбежными огромными затратами на разработку.

Поэтому, как описано в нижеследующих статьях 1-4 и т.д., имеются способы, с помощью которых многочисленные исследовательские институты в сотрудничестве накапливают огромное количество данных по облучению путем создания базы данных по облучению материалов и используют данные при анализах. Однако при современных условиях такие способы еще не доведены до этапа, на котором данные по облучению можно было бы систематически анализировать, отсутствуют решение по результатам анализа, правило вычисления или база данных, на основании которой можно легко получать практические условия для использования.

Описание радиационного повреждения материалов является очень сложным. Радиационное повреждение начинается с ударов частиц высоких энергий и состоит из мгновенных процессов нагревания и охлаждения и различных реакционных процессов, таких как смещение атомов, образование, рост и диффузия дефектов, агрегирование и слияние дефектов, инициирование и распространение трещин. Хотя часть из этих реакций выражается математическими формулами, такими как диффузионное уравнение, почти для всех из этих реакций требуются большие объемы быстродействующей компьютерной обработки на основе статистической обработки с помощью молекулярной динамики, метода Монте-Карло и динамики дислокаций. По этой причине, поскольку в настоящее время существует предел вычислительной способности компьютеров, трудно анализировать всю картину радиационного повреждения и систематически постигать радиационное повреждение, даже если использовать суперкомпьютер последнего поколения. Кроме того, отсутствует оценочная формула, которая дает возможность описывать радиационное повреждение при оценивании характеристик материала и, следовательно, до настоящего времени невозможно мгновенно получать практические условия, при которых материал может быть использован в процессе облучения (практические условия для использования).

Проблема, подлежащая решению в настоящем изобретении, вытекает из того, что для применения в радиационных средах новых материалов, представленных упорядоченными сплавами, отсутствует способ оценивания в течение короткого периода времени и при небольших затратах практических условий для использования материалов при облучении, и по этой причине трудно внедрять материалы, для которых отсутствуют результаты по облучению.

Статья 1: Shuichi Iwata et al., Materials data base for fusion reactors-1, Journal of Nuclear Materials, vol.103 (1982), pp.173-177.

Статья 2: Hajime Nakajima et al., Present status of data-free-way - Distributed database for advanced nuclear materials, Journal of Nuclear Materials, vol.212/215 (1994), pp.1711-1714.

Статья 3: Mitsutane Fujita et al., Application of the distributed database (data-free-way) on the analysis of mechanical properties in neutron irradiated 316 stainless steel, Fusion Engineering and Design, vol.51/52 (2000), pp.769-774.

Статья 4: Yoshiyuki Kaji et al., Status of JAERI material performance database (JMPD) and analysis of irradiation assisted stress corrosion cracking (IASCC) data, Journal of Nuclear Science and Technology, vol.37 (2000), pp.949-958.

Раскрытие изобретения

Согласно настоящему изобретению разработан способ, в котором в предположении, что радиационная характеристика обусловлена образованием и аннигиляцией радиационных дефектов, используют показатель, который выражает облученное состояние, на основе показателя получают оценочную формулу, в которой учтено влияние радиационных сред на показатель, и на этом основании просто и быстро предсказывают изменения показателя, обусловленные влиянием облучения и условий радиационных сред.

Более конкретно, согласно настоящему изобретению разработан способ оценивания практических условий для использования упорядоченного сплава в радиационных средах, включающий в себя следующие этапы: получение диаграммы облученного состояния, которая выражает связь степени дальнего порядка с переменной R облученного состояния, связанной со скоростью повреждения, которая может быть получена на основании плотности потока, и температурой облучения, на основе оценочной формулы, относящейся к влиянию облучения на облученное состояние сплава в соответствии с упорядоченной структурой сплава, при использовании в качестве параметров первого порогового значения, при котором степень дальнего порядка начинает сильно уменьшаться при облучении, второго порогового значения, при котором степень дальнего порядка почти достигает равновесия после уменьшения, и степени дальнего порядка в равновесном состоянии; вычисление переменной R облученного состояния в условиях облучения, при которых сплав, подлежащий оцениванию, будет использоваться, и нахождение значения S степени дальнего порядка, соответствующей переменной R; и нахождение и сравнение первого порогового значения S_th1, второго порогового значения S_th2 и степени S_eq дальнего порядка в равновесном состоянии при одном и том же значении R, чтобы тем самым предсказать уровень повреждения и условие изменения уровня повреждения и оценить практические условия для использования.

Кроме того, согласно настоящему изобретению разработан способ оценивания практических условий для использования упорядоченного сплава в радиационных средах, включающий в себя следующие этапы: получение диаграммы облученного состояния, которая выражает связь скорости повреждения (плотности потока) с обратной величиной температуры облучения, на основе оценочной формулы, относящейся к влиянию облучения на облученное состояние сплава в соответствии с упорядоченной структурой сплава, путем использования в качестве параметров первого порогового значения, при котором степень дальнего порядка начинает сильно уменьшаться при облучении, второго порогового значения, при котором степень дальнего порядка почти достигает равновесия после уменьшения, и степени дальнего порядка в равновесном состоянии; вычисление обратной величины температуры облучения сплава, подлежащего оцениванию, в условиях облучения, при которых сплав будет использоваться, и нахождение значения S степени дальнего порядка, соответствующей обратной величие температуры облучения; и нахождение и сравнение первого порогового значения S_th1, второго порогового значения S_th2 и степени S_eq дальнего порядка в равновесном состоянии при одной и той обратной величине температуры облучения, чтобы тем самым предсказать уровень повреждения и условие изменения уровня повреждения и оценить практические условия для использования.

В этих способах оценивания сравнение осуществляют соответственно между значением S и значением S_th1, значением S_th2 и значением S_eq при одном и том же значении R или одной и той же обратной величине температуры облучения (где 0≤S_eq<S_th2<S_th1<1) и по количественному отношению этих значений могут быть сделаны оценки следующим образом:

(1) когда S_th1<S: сплав, подлежащий оцениванию, находится в упорядоченном состоянии и имеет низкий уровень повреждения (степень дальнего порядка большая);

(2) когда S_th2<S<S_th1: сплав, подлежащий оцениванию, находится в процессе перехода от упорядоченного состояния к неупорядоченному состоянию, и уровень его повреждения сильно флуктуирует и имеет тенденцию к быстрому увеличению (степень дальнего порядка существенно уменьшается);

(3) когда S_eq<S<S_th2: сплав, подлежащий оцениванию, находится в процессе почти достижения неупорядоченного состояния, и уровень его повреждения большой, но флуктуирует слабо (величина уменьшения степени дальнего порядка небольшая и степень дальнего порядка небольшая); и

(4) когда S<S_eq: сплав, подлежащий оцениванию, находится в неупорядоченном состоянии и имеет высокий уровень повреждения (степень дальнего порядка небольшая).

Согласно настоящему изобретению можно значительно упростить большое число экспериментов по облучению, которые до настоящего времени были необходимыми, и просто и быстро получать практические условия для использования упорядоченного сплава (сплава с упорядоченной структурой) при облучении, такие как температура облучения, скорость повреждения (плотность потока) и поток облучения, без необходимости создания новой базы данных по облучению. По этой причине можно существенно сократить продолжительность значительных радиационных испытаний, исследований после облучения и оценивания результатов анализа, длительное осуществление которых до настоящего времени было необходимым, и можно радикально уменьшить расходы на испытания до облучения, расходы на испытания во время облучения, расходы на испытания после облучения, расходы на анализ и т.д. В результате этого можно быстро и эффективно стимулировать разработку новых материалов, которые являются устойчивыми к радиационным условиям, таких как упорядоченный сплав.

Краткое описание чертежей

На чертежах:

фиг.1 - диаграмма сравнения степени дальнего порядка (степени ближнего порядка) и значения R для упорядоченного сплава типа В2; и

фиг.2 - диаграмма сравнения скорости повреждения и температуры облучения для упорядоченного сплава типа В2.

Предпочтительные варианты осуществления изобретения

В настоящем изобретении используется оценочная формула, основанная на переходе упорядоченность-неупорядоченность при облучении. Атомное замещение, создаваемое облучением, вызывает локальное структурное изменение в упорядоченном сплаве и разупорядочение упорядоченного сплава при облучении. С другой стороны, в зависимости от температуры облучения стимулируется внедрение радиационных дефектов и стимулируется упорядочение упорядоченного сплава. Облученное состояние упорядоченного сплава представляет собой процесс, при котором такое разупорядочение и упорядочивание происходят одновременно, и при условиях, в которых разупорядочение и упорядочивание уравновешиваются, это облученное состояние находится под сильным воздействием изменений температуры облучения, скорости повреждения (плотности потока) и потока облучения, которые составляют условия радиационной среды.

В результате, приняв во внимание степень дальнего порядка упорядоченного сплава в качестве показателя, который выражает облученное состояние, отражающее влияние облучения, анализируют влияние облучения на степень дальнего порядка и получают оценочную формулу, в которой учтено влияние облучения на дальний порядок. "Степень порядка", использованная в настоящей заявке, является физической величиной, которая выражает вид атомистической величины, имеющей порядок и величину этого порядка при переходе упорядоченность-неупорядоченность, и представляет собой параметр, который характеризует фазовый переход. С помощью этого оценочного уравнения находят зависимость между температурой облучения и скоростью повреждения, соответствующей пороговому значению воздействия облучения, и получают диаграмму для анализа облученного состояния. В том случае, когда такая диаграмма для каждого упорядоченного сплава получена, условия относительно скорости повреждения и температуры облучения, которая может быть использована при облучении, без труда становятся очевидными.

Обычно диаграмму облученного состояния, которая выражает связь степени дальнего порядка с переменной R облученного состояния, связанной со скоростью повреждения и температурой облучения, получают соответственно упорядоченной структуре сплава на основе оценочной формулы, связанной с влиянием облучения на облученное состояние сплава, путем использования в качестве параметров первого порогового значения, при котором степень дальнего порядка начинает сильно уменьшаться при облучении, второго порогового значения, при котором степень дальнего порядка почти достигает равновесия после уменьшения, и степени дальнего порядка в равновесном состоянии. С другой стороны, вычисляют переменную R облученного состояния в условиях облучения, при которых сплав, подлежащий оцениванию, будет использоваться, и находят значение S степени дальнего порядка, соответствующей переменной R. В то же самое время находят и сравнивают первое пороговое значение S_th1, второе пороговое значение S_th2 и степень S_eq дальнего порядка в равновесном состоянии при одном и том же значении R.

При одном и том же значении R сравнение осуществляют соответственно между значением S и значением S_th1, значением S_th2 и значением S_eq (где 0≤S_eq<S_th2<S_th1<1), и на основании количественного отношения этих значений могут быть сделаны следующие оценки:

(1) когда S_th1<S: сплав находится в упорядоченном состоянии и имеет низкий уровень повреждения (степень дальнего порядка большая);

(2) когда S_th2<S<S_th1: сплав находится в переходном процессе от упорядоченного состояния к неупорядоченному состоянию, а его уровень повреждения сильно флуктуирует и имеет тенденцию к быстрому увеличению (степень дальнего порядка существенно уменьшается);

(3) когда S_eq<S<S_th2: сплав находится в процессе почти достижения неупорядоченного состояния, и его уровень повреждения большой, но флуктуирует слабо (величина уменьшения степени дальнего порядка небольшая, и степень дальнего порядка небольшая), и

(4) когда S<S_eq: сплав находится в неупорядоченном состоянии и имеет высокий уровень повреждения (степень дальнего порядка небольшая).

Таким образом предсказывают уровень повреждения и условие изменения уровня повреждения и оценивают практические условия для использования.

Пример

Облученное состояние сильно зависит от температуры облучения, радиационного повреждения и скорости повреждения, которые составляют радиационные окружающие условия. Скорости повреждения в условиях облучения в японском реакторе для испытания материалов (JMTR) японского исследовательского института ядерной энергии составляют от 10^-7 до 10^-8 смещений на атом в секунду, а скорости повреждения в условиях облучения в экспериментальном реакторе на быстрых нейтронах (JOYO) японского проектного института ядерного цикла составляют от 10^-6 до 10^-8 смещений на атом в секунду. Температуры, при которых устраняется повреждение упорядоченного сплава, облученного в этих испытательных реакторах, согласно настоящему изобретению получают путем осуществления сравнения между условиями радиационных сред и пороговыми значениями на диаграмме облученного состояния согласно настоящему изобретению, а облученное состояние может быть оценено на основании температур.

Вывод оценочной формулы, относящейся к действию облучения, осуществляют следующим образом. Только для примера здесь иллюстрируется случай упорядоченного сплава типа В2, (упорядоченного сплава типа CsCl с отношением в составе числа атомов А к числу атомов В, равным 1:1, где атомы А и атомы В образуют бинарный сплав), который является типичным упорядоченным сплавом. Однако случаи других упорядоченных сплавов также могут быть обсуждены аналогичным образом. То же самое также применимо в случае, когда степень ближнего порядка Уоррена-Каули или аналогичную используют вместо степени дальнего порядка (степени дальнего порядка Брэгга-Вильямса). Степень S дальнего порядка (степень дальнего порядка Брэгга-Вильямса) упорядоченного сплава типа В2 при облучении находят через S = (вероятность того, что составленные подрешетки корректно заполнены конституэнтными атомами) - (вероятность того, что составленные подрешетки некорректно заполнены конституэнтными атомами).

То есть

где α и β обозначают подрешетку α и подрешетку β соответственно в упорядоченном сплаве, а нижние индексы А и В обозначают атом А и атом В соответственно.

Скорость изменения со временем этой степени дальнего порядка имеет вид:

где первый член правой стороны обозначает скорость разупорядочения, а последний член обозначает скорость упорядочения.

В представленном описании в формулах использованы следующие обозначения:

ε: эффективность разупорядочения;

φ: скорость повреждения;

K: функция температуры;

Z_α, Z_β: координационные числа подрешеток α и подрешеток β;

C_V: концентрация вакансий (предполагается пропорциональной показателю 1/2 степени скорости повреждения);

ν: фактор частоты;

С_А, С_В: концентрации атомов А и атомов В;

Е: энергия активации для создающего упорядочение скачка вакансии;

κ: постоянная Больцмана; и

Т: температура.

Следующее уравнение получено из условий баланса процесса упорядочения и процесса разупорядочения в радиационных средах:

где два корня относительно α и β имеют вид:

(из сдвоенного знака следует выбирать знак плюс или минус, β<α, 0<β<1, 1<α).

Решение получается только для S=β, которое удовлетворяет условию 0≤S<1.

Однако

R=κ/εφ=S_eq/(1-S_eq)², (0≤R<∞)

где S_eq обозначает степень дальнего порядка в равновесном состоянии.

Поэтому при использовании R в качестве параметра получается следующее аналитическое решение:

Вследствие облучения степень S дальнего порядка плавно уменьшается с ростом времени облучения от значения (S=1) до облучения и достигает равновесного значения в определенное время облучения. Первый член β в уравнении является степенью S_eq дальнего порядка в равновесном состоянии, соответствующей сходящемуся значению в этот момент времени. Последний член является членом, зависящим от времени, и отражает изменения во времени степени дальнего порядка, которая постепенно приближается к степени дальнего порядка в равновесном состоянии с увеличением времени облучения.

Зависимость между первым пороговым значением S_th1, при котором степень S дальнего порядка начинает сильно уменьшаться в процессе облучения, вторым пороговым значением S_th2, при котором степень дальнего порядка почти достигает равновесия после уменьшения, и параметром R дается следующими уравнениями, вытекающими из второго дифференциала и главного дифференциала, связанных с R:

Кроме того, степень S_eq дальнего порядка в равновесном состоянии дается следующим уравнением:

где: 0≤S_eq<S_th2<S_th1<1.

С другой стороны, степени σ ближнего порядка Уоррена-Каули, соответствующие каждой из степеней дальнего порядка, находят следующим образом. Выражение для числа пар А-А атомов, образованных атомами А в бинарном сплаве с ближайшим соседним атомом, имеет вид:

N_AA=(1/2)N·Z·C_A·P_AA

где P_AA: вероятность того, что атом А в подрешетке α и атом А в подрешетке β, которые составляют сплав, образуют пары А-А атомов;

Z: координационное число.

P_AA аппроксимируется в следующем виде:

пропорция, в которой атомы А заполняют места в подрешетках α и β

Однако предполагается, что у ближайших соседних атомах отсутствует корреляция между парой А-А атомов, образованной атомами А, в пределах одной и той же подрешетки (ε_АА)=0). Условия вычислений, относящихся к суммированию членов с нижними индексами приведенного выше уравнения, имеют следующий вид:

С другой стороны, связь со степенью S дальнего порядка выражается следующим уравнением:

Однако из соотношения между С_А и ν (относительная концентрация подрешетки α) значение γ дается выражением:

γ=С_А(1-ν)/ν, когда С_А≤ν

γ=1-С_А, когда С_А≥ν

Из этих соотношений получается следующее уравнение:

Из условия Z_α=Z_β=Z в случае упорядоченного сплава типа В2 получается следующее уравнение:

По определению степень σ₁ ближнего порядка удовлетворяет условию:

где

Поэтому из σ₁=(Р_АА-С_А)/С_В получается следующее уравнение:

Согласно настоящему изобретению степень дальнего порядка (степень ближнего порядка) вычисляют путем подстановки значения R, найденного из условий облучения, и степени дальнего порядка в равновесном состоянии, а состояние облучения можно предсказать по значению степени дальнего порядка (степени ближнего порядка). Зависимость между степенью дальнего порядка (степенью ближнего порядка) и значением R (диаграмма облученного состояния) показана на фиг.1. Поскольку значение R является функцией скорости (повреждения и значения K (R=K/εφ), а значение K является функцией температуры Т облучения, то из этого следует, что значение R становится функцией скорости φ повреждения и температуры Т облучения. На верхней половине фиг.1 показано в зависимости от R первое пороговое значение S_th1, при котором степень дальнего порядка при облучении начинает сильно уменьшаться, найденное из уравнения (2), второе пороговое значение S_th2, при котором степень дальнего порядка почти достигает равновесия после уменьшения, найденное из уравнения (3), степень S_eq дальнего порядка в равновесном состоянии, которая найдена из уравнения (4). На нижней половине фиг.1 показаны степени ближнего порядка согласно уравнению (5) на основании каждой из степеней дальнего порядка.

Способ оценивания при использовании диаграммы состояния облучения из фиг.1 заключается в следующем. Вычисляют значение R исходя из конкретного условия, относящегося к новому материалу, подлежащему использованию, а значение S степени дальнего порядка, найденное из уравнения (1), наносят на фиг.1. Сравнение осуществляют между значением S и значением S_th1, значением S_th2 и значением S_eq соответственно, при одном и том же значении R (при этом 0≤S_eq<S_th2<S_th1<1) и на основании количественного отношения этих значений делают качественные оценки следующим образом:

(1) когда S_th1<S: новый материал, подлежащий использованию, находится в упорядоченном состоянии и имеет низкий уровень повреждения (степень дальнего порядка большая);

(2) когда S_th2<S<S_th1: новый материал находится в переходном процессе от упорядоченного состояния к неупорядоченному состоянию, и уровень его повреждения сильно флуктуирует и имеет тенденцию к быстрому увеличению (степень дальнего порядка существенно уменьшается);

(3) когда S_eq<S<S_th2: новый материал находится в процессе почти достижения неупорядоченного состояния, и уровень его повреждения большой, но флуктуирует слабо (величина уменьшения степени дальнего порядка небольшая и степень дальнего порядка небольшая); и

(4) когда S<S_eq: новый материал находится в неупорядоченном состоянии и имеет высокий уровень повреждения (степень дальнего порядка небольшая).

Кроме того, из степени ближнего порядка на фиг.1 можно оценить локальную информацию, например тенденцию пары несходных атомов (σ: отрицательное значение) или пары атомов одного и того же вида (σ: положительное значение) по отношению к ближайшим соседним атомам.

Как показано на фиг.1, кривые, относящиеся к степени дальнего порядка и к степени ближнего порядка, круто проходят в вертикальном направлении, и предполагается, что в материале, в котором степень порядка приближается очень близко к±1, ухудшение свойств в процессе облучения является небольшим. На фиг.1 различные условия облучения преобразованы в значения R, которые являются простыми, а изменения, предсказываемые относительно степени порядка, делаются видимыми через посредство значений R (как функция значений R), посредством чего делается возможным пространственный охват характера этих изменений. В результате этого становится легко осуществлять сравнение при различных изменениях физических свойств, и могут быть легко найдены зависимости от них.

В таблице показаны зависимости между пороговыми значениями степени дальнего порядка и пороговыми значениями степени ближнего порядка.

Степень S дальнего порядка Брэгга-ВильямсаСтепень σ₁ ближнего порядка Уоррена-Каули (между ближайшими соседними атомами)Равновесное значениеПороговое значениеРавновесное значениеПороговое значениеS_eqS_th2S_th1σ_1-eqσ_1-th2σ_1-th10,10,1970,351-0,01-0,039-0,1230,20,3850,598-0,04-0,148-0,3580,30,5500,757-0,09-0,303-0,5730,40,6900,857-0,16-0,476-0,7340,50,8000,918-0,25-0,64-0,8430,60,8820,956-0,66-0,778-0,9140,70,9400,979-0,49-0,884-0,9580,80,9760,992-0,64-0,953-0,9840,90,9940,998-0,81-0,988-0,9960,920,9970,999-0,846-0,994-0,9980,950,9990,999-0,998-0,998-0,9980,980,9990,999-0,998-0,998-0,9980,990,9990,999-0,998-0,998-0,998

Значение R (R=K/εφ=S_eq/(1-S_eq)², (0≤R<∞)) находят путем определения значения S_eq и, если значение R определено, значение S_th1 и значение S_th2 находят из уравнений (2) и (3), поскольку каждое из значений S_th1 и S_th2 является функцией R. С другой стороны, степень ближнего порядка находят из полученной степени дальнего порядка, используя уравнение (5), а значение σ_eq, значение σ_th1 и значение σ_th2 получают из значения S_eq, значения S_th1 и значения S_th2 соответственно. В таблице показаны результаты, полученные таким путем.

Из результатов таблицы очевидно, что в случае, когда равновесное значение степени дальнего порядка приближается, например, к интервалу от 0,1 до 0,2 (что соответствует состоянию, при котором разупорядочение заметно), величина, до которой степень порядка начинает уменьшаться, S_th1, начинает резко уменьшаться от 0,6, почти подходит к равновесию при 0,39 или приблизительно около этого и достигает его при 0,2 (равновесное значение). Кроме того, когда степень порядка начинает уменьшаться от 0,35 или приблизительного около этого, S_th1 почти приближается к равновесию при 0,2 и достигает равновесия при 0,1. При условии, что эта степень порядка, которая начинает уменьшаться, S_th1, имеет большие значения от 0,9 до 0,8 или приблизительно около этого, уменьшение степени порядка может быть удержано в пределах от 0,8 (равновесное значение: 0,5) до 0,6 (равновесное значение: немного ниже 0,4), даже если степень порядка уменьшается (разупорядочение не наблюдается). В противоположность этому, если значение S_th1 становится не больше 0,6, степень дальнего порядка резко уменьшается, и отсюда следует, что разупорядочение становится заметным.

В соответствии с этими изменениями степень ближнего порядка получают путем возведения в квадрат степени дальнего порядка, умножения этого значения на коэффициент и изменения на обратный знака значения. Следовательно, в случае, когда равновесное значение степени дальнего порядка близко к интервалу от 0,1 до 0,2, обнаруживается равновесное значение ближнего порядка от -0,01 до -0,04, и оно становится значением, которое почти приближается к нулю (разупорядочение). С другой стороны, в случае, когда равновесное значение дальнего порядка близко к интервалу от 0,9 до 0,8, равновесное значение ближнего порядка равно от -0,8 до -0,6, и это свидетельствует о том, что упорядочение ближнего порядка (упорядочение пар несходных атомов) происходит как раз на атомном уровне.

Что касается различия между степенью дальнего порядка и степенью ближнего порядка, то величина, на которую степень порядка уменьшается, больше в случае степени ближнего порядка, чем в случае степени дальнего порядка, и это наводит на мысль, что, даже когда уменьшение величины порядка на уровне дальнего порядка является небольшим в случае степени дальнего порядка, может иметь место случай, когда уменьшение степени ближнего порядка происходит на большую величину при рассмотрении в рамках изменения степени ближнего порядка на атомном уровне.

Степень ближнего порядка является степенью порядка в пределах диапазона атомного уровня первого соседнего атома, второго соседнего атома и третьего соседнего атома, то есть в пределах ближайшего атома, ближайшего соседнего атома, второго по отношению к этому ближайшему атому, и ближайшего соседнего атома, следующего по отношению к этому следующему соседнему атому (в таблице показаны только случаи между ближайшими соседними атомами). В противоположность этому степень дальнего порядка соответствует степени порядка в пределах относительно большого диапазона, от нескольких до десятков кристаллических решеток, а не на атомном уровне. Зависимость, показанная в уравнении (5), существует между обеими степенями порядка. Из уравнения (5) степень ближнего порядка получают путем умножения квадрата степени дальнего порядка на постоянную величину и изменения на обратный знака значения. Только для примера, когда степень дальнего порядка приближается к 1, степень ближнего порядка приближается к -1 (пары несходных атомов).

Между степенью ближнего порядка и степенью дальнего порядка существует следующая зависимость. Чем ближе степень дальнего порядка к значению 1, тем больше величина упорядоченности, тогда как чем ближе она к значению 0, тем выше величина неупорядоченности. Применительно к степени ближнего порядка упорядочение несходных атомов происходит тогда, когда значение близко к -1, а упорядочение атомов одного и того же вида происходит тогда, когда значение близко к+1, тогда как разупорядочение происходит тогда, когда значение близко к 0. Если рассматривать реальный процесс образования радиационного повреждения, то сначала радиационное повреждение происходит в той степени, с которой частицы высоких энергий (нейтроны, ионы, электроны и т.д.) сталкиваются с материалом, посредством чего образуются радиационные дефекты тонкого уровня (уровня степени ближнего порядка), затем эти радиационные дефекты растут и сливаются, образуя большие агрегаты дефектов (уровень степени дальнего порядка), и наконец, приводят к трещинам и разрушениям. Степень ближнего порядка является более чем вспомогательным оценочным материалом и необходима для осуществления оценок на тонком уровне на начальной стадии процесса повреждения. В реальных случаях после оценивания состояния повреждения всего образца при использовании степени дальнего порядка проверяют состояние локального повреждения с помощью степени ближнего порядка. В этом смысле уместно полагать, что степень ближнего порядка используют при осуществлении оценок "дополнительно", а не в "качестве помощи".

Зависимость между температурой Т и скоростью повреждения (скоростью, с которой происходит повреждение) φ дается следующим уравнением:

Зависимость между скоростью повреждения (скоростью, с которой происходит повреждение) и температурой в случае, когда степень дальнего порядка достигает равновесия, имеет следующий вид:

где T_eq обозначает температуру, при которой степень ближнего порядка достигает равновесия.

Аналогичным образом получаем следующие уравнения:

где значения T_th1 и T_th2 и значения φ_th1 и φ_th2 соответственно обозначают пороговые значения температур и пороговые значения скоростей повреждения, относящиеся к степени дальнего порядка.

На фиг.2 показано, каким образом осуществляют оценки непосредственно из условий облучения, и показана зависимость между логарифмической скоростью повреждения, которая существует в реальных условиях облучения, и обратной величиной температуры. Поскольку были использованы те же самые уравнения, что и для фиг.1, степень S дальнего порядка находится единственным образом, а способ из фиг.1 и способ из фиг.2 эквивалентны друг другу при вычислении значения S. Хотя степень ближнего порядка, показанная на фиг.1, не показана на фиг.2, если необходимо, аналогичную диаграмму на чертеже получают путем изображения степени ближнего порядка, найденной при использовании уравнения (5).

Фиг.2 удобна тем, что значение S может быть оценено непосредственно из фактических условий облучения без вычисления значения R. В этом случае при предсказании изменений значения S требуется выполнение работы по дешифрованию и тому подобной и нелегко осуществить сравнение с фиг.1, поскольку пространственное изображение, относящееся к предсказанию значения S, не получается непосредственно и к тому же используется логарифмический масштаб. Однако оценки могут быть легко осуществлены специалистом по обработке графических материалов, аналогичных диаграмме, и дешифрованию. Между прочим, существуют тенденция смещения прямых линий на фиг.2 вниз и налево, когда повреждение устраняется, и тенденция смещения вверх и направо, когда повреждение происходит.

Иллюстративный пример

Заявитель выполнил исследование по облучению нейтронами сплава TiNi, который представляет собой упорядоченный сплав типа В2, в японском реакторе для испытания материалов (JMTR) японского исследовательского института ядерной энергии. Из результатов исследования выявлено, что в случае, когда изменения степени дальнего порядка оценивают по изменениям величины падения переходной температуры, найденной на основании измерения электрического сопротивления, уменьшение степени дальнего порядка при облучении нейтронами может быть остановлено путем удержания температуры облучения на уровне, превышающем 520 К, и тем самым существенно ослаблено ухудшение свойств при облучении, и что способ настоящего изобретения также подтвержден экспериментально.

В соответствии с настоящим изобретением, в котором используется диаграмма облученного состояния согласно изобретению, можно существенно сократить чрезмерные продолжительности испытаний облучением, исследований после облучения и анализа оценок, длительное выполнение которых до настоящего времени было обязательным, и просто и быстро получать практические условия для упорядоченного сплава при облучении. В соответствии с настоящим изобретением при разработке новых материалов, для чего обычно требуются этапы разработки продолжительностью не менее 10 лет, можно сократить сроки до не более чем нескольких лет, то есть до не более 1/3 срока, необходимого до настоящего времени, и заявитель может надеяться, что разработка материалов, которые противостоят радиационным средам, может быть недорогой.

Изобретение относится к области атомной техники. Сущность изобретения: способ оценивания практических условий для использования упорядоченного сплава в радиационных средах включает в себя этапы: получение диаграммы облученного состояния, которая выражает связь степени дальнего порядка с переменной R облученного состояния, связанной со скоростью повреждения и температурой облучения, на основе оценочной формулы, относящейся к влиянию облучения на степень дальнего порядка упорядоченного сплава, находящегося в радиационных средах, при использовании в качестве параметров первого порогового значения, при котором степень дальнего порядка начинает существенно уменьшаться при облучении, второго порогового значения, при котором степень дальнего порядка по существу достигает равновесия после уменьшения, и степени дальнего порядка в равновесном состоянии, вычисление переменной R облученного состояния в условиях облучения, при которых сплав, подлежащий оцениванию, будет использоваться, и нахождение значения S степени дальнего порядка, нахождение и сравнение первого порогового значения, второго порогового значения и степени дальнего порядка в равновесном состоянии при одном и том же значении R. Преимущества изобретения заключаются в его простоте и надежности. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил.

1. Способ оценивания практических условий для использования упорядоченного сплава в радиационных средах, включающий в себя следующие этапы: получение диаграммы облученного состояния, которая выражает связь степени дальнего порядка с переменной R облученного состояния, связанной со скоростью повреждения и температурой облучения, на основе оценочной формулы, относящейся к влиянию облучения на степень дальнего порядка упорядоченного сплава, находящегося в радиационных средах, при использовании в качестве параметров первого порогового значения, при котором степень дальнего порядка начинает существенно уменьшаться при облучении, второго порогового значения, при котором степень дальнего порядка по существу достигает равновесия после уменьшения, и степени дальнего порядка в равновесном состоянии, вычисление переменной R облученного состояния в условиях облучения, при которых сплав, подлежащий оцениванию, будет использоваться, и нахождение значения S степени дальнего порядка, соответствующей переменной R, и нахождение и сравнение первого порогового значения S_th1, второго порогового значения S_th2 и степени S_eq дальнего порядка в равновесном состоянии при одном и том же значении R, чтобы тем самым предсказать уровень повреждения и условие изменения уровня повреждения и оценить практические условия для использования.2. Способ оценивания практических условий для использования упорядоченного сплава в радиационных средах по п.1, в котором сравнение осуществляют соответственно между значением S и значением S_th1, значением S_th2 и значением S_eq при одном и том значении R, где 0≤S_eq<S_th2<S_th1<1, и по количественному отношению этих значений делают оценки следующим образом: когда S_th1<S, что указывает на большую степень дальнего порядка, сплав, подлежащий оцениванию, находится в упорядоченном состоянии и имеет низкий уровень повреждения; когда S_th2<S<S_th1, что указывает на существенное уменьшение степени дальнего порядка, сплав, подлежащий оцениванию, находится в процессе перехода от упорядоченного состояния к неупорядоченному состоянию, и уровень его повреждения сильно флуктуирует и имеет тенденцию к быстрому увеличению; когда S_eq<S<S_th2, что указывает на небольшую величину уменьшения степени дальнего порядка и небольшую степень дальнего порядка, сплав, подлежащий оцениванию, находится в процессе по существу достижения неупорядоченного состояния, и уровень его повреждения большой, но флуктуирует слабо; и когда S<S_eq, что указывает на небольшую степень дальнего порядка, сплав, подлежащий оцениванию, находится в неупорядоченном состоянии и имеет высокий уровень повреждения.3. Способ оценивания практических условий для использования упорядоченного сплава в радиационных средах, включающий в себя следующие этапы: получение диаграммы облученного состояния, которая выражает связь скорости повреждения с обратной величиной температуры облучения, на основе оценочной формулы, относящейся к влиянию облучения на степень дальнего порядка упорядоченного сплава, находящегося в радиационных средах, путем использования в качестве параметров первого порогового значения, при котором степень дальнего порядка начинает существенно уменьшаться при облучении, второго порогового значения, при котором степень дальнего порядка по существу достигает равновесия после уменьшения, и степени дальнего порядка в равновесном состоянии; вычисление обратной величины температуры облучения сплава, подлежащего оцениванию, в условиях облучения, при которых сплав будет использоваться, и нахождение значения S степени дальнего порядка, соответствующей обратной величие температуры облучения; и нахождение и сравнение первого порогового значения S_th1, второго порогового значения S_th2 и степени S_eq дальнего порядка в равновесном состоянии при одной и той обратной величине температуры облучения, чтобы тем самым предсказать уровень повреждения и условие изменения уровня повреждения и оценить практические условия для использования.4. Способ по п.3, в котором сравнение осуществляют соответственно между значением S и значением S_th1, значением S_th2 и значением S_eq при одной и той же обратной величине температуры облучения, где 0≤S_eq<S_th2<S_th1<1, и по количественному отношению этих значений делают оценки следующим образом: когда S_th1<S, что указывает на большую степень дальнего порядка, сплав, подлежащий оцениванию, находится в упорядоченном состоянии и имеет низкий уровень повреждения; когда S_th2<S<S_th1, что указывает на существенное уменьшение степени дальнего порядка, сплав, подлежащий оцениванию, находится в процессе перехода от упорядоченного состояния к неупорядоченному состоянию, и уровень его повреждения сильно флуктуирует и имеет тенденцию к быстрому увеличению; когда S_eq<S<S_th2, что указывает на небольшую величину уменьшения степени дальнего порядка и небольшую степень дальнего порядка, сплав, подлежащий оцениванию, находится в процессе по существу достижения неупорядоченного состояния, и уровень его повреждения большой, но флуктуирует слабо; и когда S<S_eq, что указывает на небольшую степень дальнего порядка, сплав, подлежащий оцениванию, находится в неупорядоченном состоянии и имеет высокий уровень повреждения.