Влияние облучения на структуру и свойства материалов

Лекция 12. Радиационностойкие материалы. Радиационная стойкость. Виды излучений и вызываемые ими повреждения. Эффекты радиационного воздействия. Влияние облучения на структуру, физико-механические свойства и коррозионную стойкость материалов.

Развитие атомной энергетики и реакторного материаловедения обусловило разработку нового класса материалов, устойчивых к действию разного рода излучений. В промышленных масштабах применяются с 40-х г.г. ХХ века. Наибольшей стабильностью структуры свойств обладают металлы. Самое сильное влияние на материалы оказывает нейтронное облучение. Облучение α-частицами, протонами, β-частицами и γ-лучами менее существенно. Материалы, эксплуатирующиеся в условиях облучения, должны быть радиационно-стойкими.

Радиационной стойкостью называется свойство материалов противостоять воздей-ствию интенсивных потоков радиоактивного излучения, изменяющих их структуру и свой-ства. В наибольшей степени это воздействие отражается на механических свойствах и коррозионной стойкости. Радиационную стойкость конструкционных материалов в основном повышают легированием и регулированием микроструктуры (ее измельчением). Повышенной радиационной стойкостью обладают некоторые марки конструкционных нержавеющих сталей аустенитного и ферритного классов, дисперсноупрочненные сплавы, изготовленные по специальной технологии, некоторые сплавы хрома, ванадия, ниобия, циркония, титана и их гидриды. Из боросодержащих регулирующих материалов наибольшую радиационную стойкость имеют бориды тугоплавких металлов, особенно диборид титана TiB_2, сплавы и соединения гафния, гадолиния, европия и самария. Чистый бор и карбид бора харак-теризуются склонностью к радиационному разбуханию.

Виды излучений и вызываемые ими повреждения. Все виды излучения условно можно разделить на две основные группы:

- рентгеновские лучи, позитроны, β-частицы и γ-лучи;

- α-частицы, нейтроны, протоны и ускоренные ионы.

Взаимодействие легких частиц с веществом происходит в виде ионизации. Повреж-дение вещества в основном имеет химический характер, оно подобно эффекту электрического заряда и может быть очень существенным для органических материалов и незначительным для металлических. При их попадании в атом твердого вещества он не только ионизируется, но выбивается из узла кристаллической решетки, при этом образуется вакансия и межузель-ный атом (рисунок 12.1).

Более тяжелые заряженные частицы также теряют значительную часть своей энергии в результате ионизации, но они могут также испытывать упругие столкновения с ядрами вещества (α-частицы, нейтроны и ускоренные ионы теряют свою энергию исключительно за счет упругих столкновений). Кроме того, тяжелые частицы передают атомам решетки значительную энергию, вызывая каскады атомных столкновений и смещений с образованием двойных, тройных и более крупных скоплений вакансий и межузельных атомов (кластеров), областей разупорядочения, дислокационных петель и т.п.

Рисунок 12.1 – Схема образования вакансий и межузельных атомов при нейтронном излучении

Быстрые частицы, проходя через металлические материалы, отдают значительную часть своей энергии в небольшой области решетки, вызывая плавление в микроскопических объемах. Отвердевание этих объемов происходит чрезвычайно быстро, что приводит к образованию сильно напряженных участков. Они оказывают такое же действие на свойства металла, как и обычная закалка, а именно: увеличиваются твердость и прочность, снижается пластичность, падает плотность.

Эффекты радиационного воздействия. Различают мгновенные и остаточные эффекты воздействия излучения на материалы. Мгновенные - наблюдаются только в процессе облучения, остаточные – накапливаются во время облучения и сохраняются после него. Остаточные повреждения атомной и электронной структуры материала называются радиационными дефектами. Проникающая способность нейтральных частиц (нейтронов и γ-квантов) высока, вследствие чего они вызывают объемное повреждение материала.

Длина пробега заряженных частиц (электронов, позитронов, протонов) мала, поэтому они повреждают лишь поверхностный слой. Число вакансий, создаваемых одной частицей, зависит от ее вида и энергии, а также от свойств облучаемого вещества (таблица 12.1). Одна частица нейтрона, обладающая меньшей энергией, чем α-частица и протон, создает несравнимо больше структурных повреждений. Число вакансий, образовавшихся в алюминии, больше, чем в бериллии, что определяется большей энергией межатомной связи в последнем. Степень изменения свойств и число дефектов в металле при облучении зависит от суммарного потока частиц, температуры облучения и температуры рекристаллизации металла.

К важнейшим радиационным эффектам относится газовое и вакансионное разбухание ядерных, конструкционных и функциональных материалов, сопровождающееся сущест-венным изменением размеров, короблением, растрескиванием и разрушением изделий. Газовое разбухание происходит в результате возникновения в материале при радиационно-химических превращениях элементов газообразных продуктов и объединения их в пузырьки. Вакансионное разбухание наблюдается при больших интегральных потоках нейтронов и связано с интенсивным ростом пор вследствие объединения вакансий и образованием дислокационных петель и скоплений.

Таблица 12.1 -Число вакансий в металле, созданных одной частицей.

Металл	Нейтрон (Е=3,2×10^–12 Дж)	α –частица (Е=1,6×10^–12 Дж)	Протон (Е=1,6×10^–12 Дж)
Алюминий Бериллий

Радиационному разбуханию подвергаются аустенитные хромоникелевые стали, сплавы на основе Ni, Mo, Ti, Zn, Be. Бериллий, облученный при температуре 800–900 °С нейтронным потоком φ = 10²⁴ м^–2, увеличивает объем на 3,5 %. Аустенитная сталь облученная при температуре 450 °С потоком φ = 10²⁷ м^–2, увеличивает объем на 10 % (рисунок 12.2). Наибольшее разбухание таких сталей обнаруживается при рабочих температурах 350–650 °С. Оно усиливается скоплением в образовавшихся при облучении микропорах молекулярного водорода либо водородосодержащих газов с большим внутренним давлением. Дополнительное легирование хромоникелевых сталей Ti, Mo, Nb уменьшает разбухание. Возможно, это связано с уменьшением растворимости и скорости диффузии водорода в сложнолегированном аустените. Холодная пластическая деформация аустенитных сталей снижает разбухание, видимо, по той же причине. Перлитные и ферритные высокохромистые стали, растворимость водорода в которых мала, менее склонны к разбуханию.

При радиационном облучении кроме механических изменяются также химические и физические свойства материалов:

- увеличивается скорость коррозии;

- уменьшается электропроводность и теплопроводность металла (повышенное количество образовавшихся при облучении точечных дефектов оказывают рассеивающее действие на движущиеся электроны);

Рисунок 12.2 – Влияние облучения при 450 °С на относительное уве-личение объема аустенитной стали 12Х18Н10Т	1 – σВ; 2 – σ0,2; 3 – δ Рисунок 12.3 – Изменение механических свойств при 20 °С аустенитной стали 12Х18Н10Т после низкотемпературного облучения нейтронами:

- ускоряются распад пересыщенных твердых растворов и процесс старения;

- происходят аллотропические превращения;

- образуются зародыши новых фаз;

- стимулируются диффузионные процессы, приводящие к ускорению ползучести;

- повышается способность к бездиффузионным превращениям в нержавеющих сталях;

- повышается температура перехода в хрупкое состояние;

- происходит превращение аустенита в феррит.

Под действием потока нейтронов алюминий, медь, молибден, марганец, кремний, натрий и некоторые другие элементы приобретают наведенную радиоактивность.

Влияние на механические свойства неоднозначно и определяется температурой эксплуатации. В результате радиационного воздействия и образования дополнительного количества точечных дефектов в кристаллической решетке возникают такие же напряжения, как и при холодной пластической деформации. В термодинамическом отношении она становится неустойчивой. Однако. в отличие от холодной обработки, последствия радиа-ционного воздействия можно ликвидировать отжигом без рекристаллизации. Это связано с меньшей энергией активации образования вакансий и межузельных атомов и меньшей устойчивостью изменений, полученных в результате облучения по сравнению с холодной пластической деформацией.

Облучение при температуре ниже температуры рекристаллизации – низкотемпе-ратурное облучение, влияет на структурные изменения и механические свойства металлов и сплавов так же, как и холодная пластическая деформация: материал упрочняется, но теряет пластичность. Изменение временного сопротивления σ_В, предела текучести σ_0,2 и пластичности при 20 °С аустенитной хромоникелевой стали при увеличении суммарного нейтронного потока φ показано на рисунке 12.3. При φ = 3×10²³ м^-2 сталь приобретает макси-мальное упрочнение. При дальнейшем увеличении суммарного потока ее свойства не меня-ются. Упрочнение, полученное в результате низкотемпературного облучения, сохраняется при последующем нагреве до температуры ниже температуры рекристаллизации.

Облучение при температуре выше температуры рекристаллизации – высокотемпе-ратурное облучение, сопровождается радиационным отжигом, который способствует восстановлению структуры и механических свойств. Перлитные стали при температуре облучения 250–450 °С мало изменяют свойства, а при температуре выше 450 °С свойства практически не изменяются, так как рекристаллизация проходит полностью. Аустенитные стали стабильны при температуре выше 600 °С. Алюминий и магний, имеющие низкие температуры рекристаллизации, радиационно-стойки при температуре выше 150 °С. Пластичность не меняется, а прочность даже увеличивается (рисунок. 12.4).

Рисунок 12.4 – Изменение механических свойств при 20 °С алюминия после высокотемпературного облучения нейтронами	1 – без облучения (600°С); 2, 3 – после облучения (600°С); (880°С). Рисунок 12.5. – Изменение 100-часовой длительной прочности никелевого сплава при разных температурах испытания

Влияние температуры нагрева при облучении усложняется, если сплав испытывает структурные превращения, так как облучение активизирует диффузионные процессы. Именно с этим связана высокотемпературная хрупкость аустенитных хромоникелевых сталей. Критический интервал хрупкости молибдена в результате облучения повышается с –30 °С до +70 °С, а углеродистых сталей на 50–100 °С. В общем случае установлено, что механические свойства металлов с оцк-решеткой изменяются сильнее, чем соответствующие характеристики гцк- и гпу- металлов.

Длительная прочность при облучении всегда снижается, особенно в стареющих сплавах. Это вызвано активизацией диффузионных процессов под действием облучения, которые ответственны за разрушение при повышенных температурах. Снижение жаропроч-ности при облучении усиливается с увеличением нейтронного потока, температуры облучения и температуры испытания (рисунок 12.5). В то же время при достаточно высоких температурах облучение заметным образом не влияет на скорость ползучести никеля, циркония, константана. По-видимому, для целого ряда металлов и сплавов существует такая критическая температура, выше которой облучение не влияет на жаропрочность.

Наибольшей чувствительностью к радиоактивному излучению обладают органические материалы. Облучение таких материалов может приводить к разрушению связи в молекулах и образованию новых молекул с иным химическим составом и свойствами. Разрушающее действие оказывают все виды излучения. Характер разрушения проявляется следующим образом:

- усложнением молекулярного строения органической основы пластмасс, так называемое структурирование;

- расщепление молекул на более простые (деструкция).

Оба процесса ведут к ухудшению механических свойств материалов и особенно к снижению эластичности, вплоть до хрупкости. Наиболее стойки к облучению фенольные пластмассы с асбестовым наполнителем, полистирол, полиэтилен, стекловолокно без пластической связки. Менее стойки – органическое стекло, фторопласты, пластмассы на основе эфиров целлюлозы.

Влияние облучения на коррозионную стойкость. Для многих конструкционных реакторных материалов, коррозионной средой является вода, влажный или перегретый пар. В результате электрохимическая коррозия может сопровождаться химической. При облучении стойкость металлов в условиях химической коррозии снижается из-за разрушения поверхностных защитных пленок. При облучении происходит радиолиз воды: ее молекулы разрушаются и образуются ионы, атомы кислорода, водорода и группы ОН. Кислород окисляет металл, водород наводораживает его и, тем самым, охрупчивает, усиливая электрохимическое разрушение металла.

а – ×300 б – ×500 Рисунок 12.6 – Микроструктура аустенитной нержавеющей стали, пораженной интеркристаллитной коррозией

Скорость коррозии алюминия и его сплавов в воде при облучении тепловыми нейтронами, скорость потока которых 10¹⁶ с^–1·м^–2, при 190 °С увеличивается в 2–3 раза. Потеря коррозионной стойкости алюминия в таких условиях может быть вызвана увеличением концентрации ОН-, что приводит к растворению поверхностных защитных оксидов. Радиолиз воды уменьшает коррозионную стойкость циркониевых сплавов. При облучении тепловыми нейтронами, скорость потока которых 10¹⁷ с^–1·м^–2, скорость коррозии сплава «Цирколой-2» при 20 °С увеличивается в 50–70 раз из-за разрушения защитных пленок.

Облучение аустенитных хромоникелевых сталей также усиливает их коррозию за счет выделения карбидов по границам зерен, которое существенно усиливается при облучении. Во влажном паре оно способствует развитию местных видов коррозии: межкристаллической, точечной, а также коррозионному растрескиванию (рисунок 12.6).

Необходимая радиационная стойкость конструкционного материала может быть обеспечена соответствующим химическим составом, структурой и оптимальными условиями эксплуатации: рабочей температурой, видом и энергией облучающих частиц, величиной потока облучения и свойствами коррозионной среды. В зависимости от назначения и условий эксплуатации к материалу предъявляются различные требования, касающиеся радиационной стойкости. Наиболее общим является требование размерной стабильности, сохранения целостности, т.е. стойкости к макроструктурным изменениям, и изменениям механических свойств.

Рекомендуемая литература

Основная 1 [299-302], 2 [556-561]

Дополнительная 6 [381-385]

Контрольные вопросы

1 Что называется радиационной стойкостью?

2 Какие свойства под действием излучения изменяются наиболее сильно?

3 На какие основные группы подразделяются все виды излучения?

4 Каков механизм взаимодействия с веществом легких заряженных частиц?

5 Каков механизм взаимодействия тяжелых заряженных частиц с веществом?

Дата добавления: 2014-11-18