Исследование влияния магнитного рассеяния на анализ наноструктуры дисперсно-упрочненных оксидами сталей методами малоуглового рассеяния нейтронов

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Отличительной особенностью дисперсно-упрочненных оксидами сплавов и сталей, обеспечивающей существенное повышение жаропрочности в сравнении с традиционными материалами, является значительное число равномерно распределенных наноразмерных включений (оксидов и кластеров). Для детальной характеризации таких материалов применяют комплекс методик, таких как просвечивающая электронная микроскопия, атомно-зондовая томография, а также малоугловое рассеяние рентгеновских лучей и нейтронов. Последняя указанная методика позволяет анализировать наибольшие объемы материала, при этом сохраняет возможность детектирования различных наноразмерных особенностей. Поскольку ферритно-мартенситные дисперсно-упрочненные оксидами стали – ферромагнитные материалы, то при использовании малоуглового рассеяния нейтронов необходимо учитывать магнитное рассеяние. В данной работе методом малоуглового рассеяния нейтронов исследуется наноструктура ферритно-мартенситных дисперсно-упрочненных оксидами сталей с различными системами легирования (различное содержание Cr, V, W, Al и Zr). Проведено сопоставление результатов исследования наноструктуры сталей (оксидных частиц и кластеров) в ферромагнитном состоянии с учетом и без учета магнитного рассеяния. Показано, что оксидные частицы имеют существенно больший магнитный контраст в сравнении с наноразмерными кластерами. В то же время наиболее точные значения твердости удается получить, учитывая как оксидные включения, так и кластеры.

Full Text

Restricted Access

About the authors

С. В. Рогожкин

Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”; Национальный исследовательский ядерный университет “МИФИ”

Author for correspondence.
Email: Sergey.Rogozhkin@itep.ru
Russian Federation, пл. Акад. Курчатова, 1, Москва, 123182; Каширское шоссе, 31, Москва, 115409

А. В. Клауз

Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”; Национальный исследовательский ядерный университет “МИФИ”

Email: Sergey.Rogozhkin@itep.ru
Russian Federation, пл. Акад. Курчатова, 1, Москва, 123182; Каширское шоссе, 31, Москва, 115409

Ю. Е. Горшкова

Объединенный институт ядерных исследований; Институт физики, Казанский федеральный университет

Email: Sergey.Rogozhkin@itep.ru
Russian Federation, ул. Жолио Кюри, 6, Дубна, 141980; ул. Кремлевская, 18, Казань, 420008

Г. Д. Бокучава

Объединенный институт ядерных исследований

Email: Sergey.Rogozhkin@itep.ru
Russian Federation, ул. Жолио Кюри, 6, Дубна, 141980

А. А. Хомич

Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”; Национальный исследовательский ядерный университет “МИФИ”

Email: Sergey.Rogozhkin@itep.ru
Russian Federation, пл. Акад. Курчатова, 1, Москва, 123182; Каширское шоссе, 31, Москва, 115409

А. А. Богачев

Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”; Национальный исследовательский ядерный университет “МИФИ”

Email: Sergey.Rogozhkin@itep.ru
Russian Federation, пл. Акад. Курчатова, 1, Москва, 123182; Каширское шоссе, 31, Москва, 115409

А. А. Никитин

Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”; Национальный исследовательский ядерный университет “МИФИ”

Email: Sergey.Rogozhkin@itep.ru
Russian Federation, пл. Акад. Курчатова, 1, Москва, 123182; Каширское шоссе, 31, Москва, 115409

Л. Алмаши

Институт энергетической и экологической безопасности

Email: Sergey.Rogozhkin@itep.ru

Центр энергетических исследований

Hungary, Будапешт, 1121

Г. П. Копица

НИЦ “Курчатовский институт” – Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова; Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова РАН

Email: Sergey.Rogozhkin@itep.ru
Russian Federation, мкр. Орлова роща, 1, Гатчина, Ленинградская область, 188300; наб. адм. Макарова, 2, Санкт-Петербург, 199034

References

  1. Klueh R.L., Shingledecker J.P., Swindeman R.W., Hoelzer D.T. Oxide dispersion-strengthened steels: A comparison of some commercial and experimental alloys // J. Nucl. Mater. 2005. V. 341. P. 103–114.
  2. Ukai S., Fujiwara M. Perspective of ODS alloys application in nuclear environments // J. Nucl. Mater. 2002. V. 307–311. P. 749–757.
  3. Klimiankou M., Lindau R., Möslang A. TEM characterization of structure and composition of nanosized ODS particles in reduced activation ferritic–martensitic steels// J. Nucl. Mater. 2004. V. 329. P. 347–351.
  4. Rogozhkin S.V., Bogachev A.A., Nikitin A.A., Vasiliev A.L., Presnyakov M.Yu., Tomut M., Trautmann C. TEM analysis of radiation effects in ODS steels induced by swift heavy ions // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B. 2021. V. 486. P. 1–10.
  5. Rogozhkin S.V., Aleev A.A., Zaluzhnyi A.G., Nikitin A.A., Iskandarov N.A., Vladimirov P., Lindau R., Möslang A. Atom probe characterization of nano-scaled features in irradiated ODS Eurofer steel // J. Nucl. Mater. 2011. V. 40. P. 94–99.
  6. Rogozhkin S.V., Orlov N.N., Nikitin A.A., Aleev A.A., Zaluzhny A.G., Kozodaev M.A., Lindau R., Möslang A., Vladimirov P. Nanoscale characterization of 13.5% Cr oxide dispersion strengthened steels with various titanium concentrations // Inorganic Mater. Appl. Research. 2015. V. 6. № 2. P. 151–155.
  7. Oono N., Ukai S. Precipitation of Oxide Particles in Oxide Dispersion Strengthened (ODS) Ferritic Steels // Mater. Trans. 2018. V. 59. № 10. P. 651–658.
  8. Rogozhkin S.V., Khomich A.A., Klauz A.V., Bogachev A.A., Gorshkova Y.E., Bokuchava G.D., Nikitin A.A., Lukyanchuk A.A., Raznitsyn O.A., Shutov A.S., Zaluzhny A.G. // Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2022. V. 16. № 6. P. 1189.
  9. Coppola R., Klimiankou M., Lindau R., May R.P., Valli M. SANS and TEM study of Y2O3 particle distributions in oxide-dispersion strengthened EUROFER martensitic steel for fusion reactors // Physica B. 2004. V. 350. P. E545–E548.
  10. Mathon M.H., Perrut M., Zhong S.Y., de Carlan Y. Small angle neutron scattering study of martensitic/ferritic ODS alloys // J. of Nuclear Materials. 2012. V. 428. P. 147–153.
  11. Rogozhkin S.V., Khomich A.A., Bogachev A.A., Nikitin A.A., Khoroshilov V.V., Lukyanchuk A.A., Raznitsyn O.A., Shutov A.S., Vasiliev A.L., Presniakov M.Yu. Comprehensive Analysis of Nanostructure of Oxide Dispersion Strengthened Steels as Prospective Materials for Nuclear Reactors // Phys. Atomic Nuclei. 2020.V. 83. № 10. P. 1425–1433.
  12. Rogozhkin S.V., Khomich A.A., Klauz A.V., Bogachev A.A., Gorshkova Y.E., Bokuchava G.D., Nikitin A.A., Lukyanchuk A.A., Raznitsyn O.A., Shutov A.S., Zaluzhny A.G. Comprehensive Analysis of Nanostructure of Oxide Dispersion-Strengthened Steels by Ultramicroscopy Methods // J. Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2022. V. 16. № 6. P. 1189–1200.
  13. Rogozhkin S.V., Klauz A.V., Khomich A.A., Bogachev A.A., Nikitin A.A., Lukyanchuk A.A., Raznitsyn O.A., Shutov A.S., Khalyavina A.A., Zaluzhnyi A.G. Study of nanostructures in high-chromium oxide dispersion-strengthened steels // J. Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2023. V. 17. Suppl. 1. P. S282–S288.
  14. Rogozhkin S.V., Gorshkova Yu.E., Bokuchava G.D., Klauz A.V., Khomich A.A., Bogachev A.A., Nikitin A.A., Almásy László, Kopitsa G.P. Study of the nanostructure of oxide dispersion-strengthened steels with small-angle neutron scattering // J. Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Technique. 2023. V. 17, Suppl. 1. P. S6-S11.
  15. YS-SANS – Small Angle Neutron Scattering Instrument – “Yellow Submarine [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://bnc.hu/sans/ l свободный – Загр. с экрана.
  16. Almásy L. New Measurement Control Software on the Yellow Submarine SANS Instrument at the Budapest Neutron Centre // J. Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2021. V. 15. № 3. P. 527–531.
  17. Ilavsky J., Jemian P.R. Irena: tool suite for modeling and analysis of small-angle scattering. J. Appl. Crystallography. 2009. V. 42(2). P. 347–353.
  18. Razee S.S.A., Assaad R.O. Onset of magnetic order in multilayers of Fe and Ni on and embedded in fcc-Cu(100) substrates //J. Magn. Magn. Mater. 2018. V. 446. P. 177–184.
  19. Rodic D., Antic B., Tellgren R., Rundlof H., Blanusa J. A change of magnetic moment of Cr ion with the magnetic phase transition in CuCr2Se4 // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 1998. V. 187(1). P. 88–92.
  20. Swenson M.J., Dolph C.K., Wharry J.P. The effects of oxide evolution on mechanical properties in proton- and neutron-irradiated Fe-9%Cr ODS steel // J. Nucl. Mater. 2016. V. 479. P. 426–435.
  21. Gil E., Ordás, C. García-Rosales N., Iturriza I. Microstructural characterization of ODS ferritic steels at different processing stages // Fusion Eng. Design. 2015. V. 98–99. P. 1973–1977.
  22. Kim J.H., Byun T.S., Hoelzer D.T., Park C.H., Yeom J.-T., Hong J.-K. Temperature dependence of strengthening mechanisms in the nanostructured ferritic alloy 14YWT: Part II – Mechanistic models and predictions // Mater. Sci. Eng.. 2013. V. 559. P. 111–118.
  23. Mouawad B., Boulnat X., Fabrègue D., Perez M., de Carlan Y. Tailoring the microstructure and the mechanical properties of ultrafine grained high strength ferritic steels by powder metallurgy // J. Nucl. Mater. 2015. V. 465. P. 54–62.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Small-angle neutron scattering curves for Eurofer ODS, 13.5Cr–Fe₃Y ODS and KP-4 gen-1 ODS steels.

Download (69KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Fitting the SANS curves for samples of DUO steels Eurofer ODS (a), 13.5Cr–Fe₃Y ODS (b) and KP-4 gen-1 ODS (c) using the least squares method for two lognormal distributions: (1) – experimental curve, (2) – model curve.

Download (131KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Measured microhardness values ​​(1); results of hardness calculation using the DBH model with the results of SANS spectra processing: taking into account nuclear scattering on oxide inclusions (2); taking into account nuclear scattering on clusters (3); taking into account nuclear and magnetic scattering on oxide inclusions (4); taking into account nuclear and magnetic scattering on clusters (5); results of calculation using the DBH model with the results of TEM and AZT analysis (6).

Download (56KB)
Indexing metadata