Что называется кислотостойкостью?

2 Какие легирующие элементы в наибольшей степени повышают кислотостойкость сталей?

3 От каких факторов зависит кислотостойкость сплавов?

4 Какие металлы могут работать в кипящей серной кислоте?

5 Как разделяются кислоты по действию на сплавы?

Лекция 12. Радиационно-стойкие 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.

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.