Abstract

An independent assessment has been made of the ambient and elevated temperature tensile and fracture toughness properties of unirradiated (reference), aged (~ 2000 h at temperatures in the range 185 to 605 C) and irradiated (2.1x10²⁵ nm^-2 (>1 MeV) at 200, 400 and 600 °C (nominal)) hot isostatic (HIP) and vacuum hot (VHP) pressed S-65 and S-200F beryllium grades as determined by SCK/CEN, Mol Belgium. The effects of material (powder consolidation method, beryllium oxide and elemental impurity contents and grain size), test (temperature) and irradiation (temperature, atom displacement dose and helium concentration) variables were analysed to further the development of composition - structure - property relationships for unirradiated and irradiated beryllium.

Although detailed microstructural examinations of the unirradiated and irradiated materials and other investigations are required to clarify some of the present uncertainties, the results of the analysis demonstrate that the tensile proof and ultimate strengths of the reference and aged beryllium grades at a given test temperature increase with the inverse square root of the grain diameter (d) in accordance with the Hall-Petch relationship. The tensile yield strengths are also determined by the impurity elements and precipitates which increase the friction stress opposing the movement of free dislocations in the lattice. The ductilities of the reference and aged beryllium peak at 230-310 °C whilst the non-uniform elongations generally decreases with increasing BeO (0.5 to 1.2%) and/or impurity contents at temperatures of 310 to 605 °C. These observations are consistent with a change in fracture mode from brittle, transgranular cleavage to ductile (dimple) fibrous and, possibly, intergranular with increasing test temperature.

The beryllium grades are severely embrittled at irradiation/test temperatures of £  310 °C but some recovery of the tensile ductility occurs at ³  485 °C. There is an increased tendency to cleavage fracture at the lower temperatures, the cleavage stress of the irradiated beryllium being dependent on d^-½. The irradiated tensile samples fail by grain boundary and/or ductile dimple fracture at the higher temperatures, the intergranular fracture probably resulting from the stress - induced growth and coalescence of adjacent helium bubbles.

The fracture toughness values for the reference and aged beryllium are broadly in agreement with the tensile strengths at low and intermediate temperatures and increase with increasing reductions of a area at the higher temperatures. Irradiation markedly reduces the fracture toughness at all temperatures but there is some recovery at ~ 600 °C; the irradiated fracture toughness correlates reasonably well with the tensile proof stress and/or reduction of area values.

The beryllium grades do not differ significantly in their resistance to radiation damage at the lower test temperatures; however, the S-65 VHP and, in particular, the S-200F HIP grades are more ductile and marginally tougher at ³  435 °C

Versuchsprogramm Beryllium Versprödung unter Bestrahlung (BSBE): Auswertung der Zug- und Bruchzähfestigkeitstest

Zusammenfassung

Eine Auswertung der Zug- und Bruchzähfestigkeitstests von sowohl unbestrahlten als auch bestrahlten Beryllium-Proben wurde durchgeführt. Bei den analysierten Proben handelt es sich um hot isostatic pressed (HIP) S-65 und vacuum hot pressed (VHP) S-200F Beryllium, die bei 200 °C bzw. 400 °C und 600 °C bis zu einer Neutronenfluenz von 2.1· 10²⁵ m^-2 bestrahlt wurden.

Der Einfluß der Herstellungsparameter (z.B. Herstellungsmethode, Verunreinigungen, Korngröße usw.), sowie der Test- und Bestrahlungstemperatur auf den Materialeigenschaften wurde untersucht.

Obwohl weitere und detaillierte mikrostrukturelle Untersuchungen notwendig sind, um das Material vollständig zu charakterisieren, zeigen die Analysen, daß die Streckgrenze und die Bruchfestigkeit des unbestrahlten Materials bei einer konstanten Temperatur mit der Quadratwurzel der Korngröße zunehmen (Hall-Petch Gesetz).

Das Material wird durch die Neutronenbestrahlung bei Bestrahlungstemperaturen unter 310 °C stark versprödet. Eine kleine Wiedergewinnung der Streckbarkeit wurde jedoch bei Bestrahlungstemperaturen über 485 °C beobachtet.

Zusätzlich vermindert die Bestrahlung stark die Bruchzähfestigkeit des Materials bei allen Bestrahlungstemperaturen unter 600 °C und nur bei 600 °C wurde eine kleine Wiedergewinnung dieser Eigenschaft beobachtet.

Alle Beryllium-Proben verhalten sich mehr oder weniger gleich bei niedrigen Bestrahlungstemperaturen und sind alle spröde. Die S-65 VHP und die S-200F HIP Beryllium-Proben sind jedoch bei Bestrahlungstemperaturen über 435 °C etwas duktiler und zäher.