Содержание

Введение……………………………………………………………………………4

ГЛАВА 1. Состояние вопроса. Анализ возможности исследования методом

ЯГР-спектроскопии изменений тонкой атомной структуры

высокохромистых сталей.

1.1. Перспективные конструкционные материалы атомной

энергетики……………………………………………………………………..6

1.2. Влияние облучения в реакторе на быстрых нейтронах на

механические свойства высокохромистых сталей…………………………11

1.3. Возможности метода ЯГР-спектроскопии при исследованиях

тонкой атомной структуры хромистых сталей……………………………..16

1.4. Постановка задачи……………………………………………………………23

ГЛАВА 2. Методы и применяемые методики исследования

2.1. Выбор сплавов и приготовление образцов…………………………………25

2.2. Методы исследования:

2.2.1. Метод термоанализа: дифференциальная сканирующая

калориметрия (ДСК)………………………………………………………....27

2.2.2. Метод мессбауэровской спектроскопии…………………………………..28

2.2.3 Метод рентгеноструктурного анализа………………………………….….33

2.3. Применяемые методики:

2.3.1. Методика низкотемпературных ЯГР - измерений………………………..33

2.3.2. Методики определения ближнего порядка, средней

концентрации легирующего элемента в твердом растворе………………34

2.3.3. Методика определения энергии активации………………………….….....38

ГЛАВА 3 . Исследование влияния хрупко-вязкого перехода на тонкую

атомную структуру высокохромистой малоактивируемой стали………….…...39

ГЛАВА 4. Особенности формирования тонкой атомной структуры

малоактивируемой хромистой стали в процессе ее получения из быстрозакаленной заготовки.

4.1. Исследования с помощью рентгеноструктурного фазового

анализа и мессбауэровской спектроскопии тонкой структуры

12% хромистой стали на различных этапах ее изготовления…………….45

4.1.1. Исследования с помощью мессбауэровской спектроскопии

тонкой структуры 12% хромистой стали на различных этапах ее

изготовления…………………………………………………………………48

4.1.2. Исследование с помощью мессбауэровской спектроскопии

изменений тонкой атомной структуры стали ЭК181 при

термическом старении………………………………………………………55

4.2. Исследования с помощью дифференциальной сканирующей

калориметрии процессов термического старения стали ЭК181………….63

ВЫВОДЫ………………………………………………………………………….64

Список литературы………………………………………………………………..67

Патентное исследование:

Приложение А……………………………………………………………………..71

Приложение Б……………………………………………………………………...72

Приложение В……………………………………………………………………...73

Заключение ………………………………………………………………..……….76

Введение

Развитие атомной энергетики ставит перед материаловедами ряд проблем, связан¬ных с созданием новых конструкционных материалов с повышенными эксплуатацион¬ными свойствами. При создании конструкционных материалов и их эксплуатации боль¬шое внимание уделяется прочностным свойствам и изменению этих свойств под дейст¬вием температур и облучения. Как конструкционный материал элементов активной зоны реакторов на быстрых нейтронах успешно применяются, 12% хромистые стали. Так же представляют интерес малоактивируемые стали с базовым легирова¬нием Cr 12%, из состава которых выведены наиболее активируемые элементы. Применение таких материалов позволит существенно снизить материальные затраты на захоронение радиоактивных отходов после вывода установки из эксплуатации.

Микроструктурная нестабильность стали при эксплуатации, приводит, к образованию в структуре стали гетерогенных включений разного структурного уровня, а именно, сегрегаций примесных атомов или атомов внедрения, а также к расслоению твердого раствора ? - железа.

Расслоение твердого раствора ? - железа является результатом протекания процесса ближнего атомного упорядочения по типу ближнего порядка или ближнего расслоения. Размер областей локального ближнего упорядочения достигает всего лишь размера одной?двух координационных сфер, поэтому для изучения ближнего атомного упорядочения необходимо использование таких методов, которые позволяли бы исследовать изменения тонкой атомной структуры материала. Стоит отметить, что ближнее атомное упорядочение твердого раствора влияет на макроскопические физико-механические свойства материала.

Поэтому определение тонкой атомной структуры твердого раствора при ближнем атомном упорядочении является важной научной и практической задачей настоящего времени. Особенно это актуально для малоактивируемых материалов, разработка которых началась относительно недавно.

Стабилизацию структуры стали, как правило, проводят совместным воздействием термической обработки и легирования, которые являются эффективным способом изменения механических характеристик, стали. Для малоактивируемых сталей перспективным легирующим элементом является азот. Введение азота обосновано тем, что в ряде случаев его присутствие оказывает благоприятное влияние на свойства сталей: повышает пределы текучести и прочности при сохранении высоких показателей пластичности и вязкости; увеличивает длительную прочность, циклическую долговечность и сопротивление ползучести.

Исходя из выше изложенного, являются исключительно важными вопросы, связанные с исследованиями тонкой атомной структуры 12% хромистых сталей, а также возможности применения метода мессбауэровской спектроскопии для этих исследований, так как данный метод позволяет следить за перераспределением атомов легирующих элементов в ближайшем окружении атомов железа.

При облучении у всех конструкционных высокохромистых сталей увеличивается температура хладноломкости, т.е. проявляется склонность к увеличению хрупкости, что является недопустимым. Т.е. основным недостатком реакторных нержавеющих сталей с ОЦК решеткой является чрезвычайно сильное повышение порога хладноломкости (на 100-2000С) при нейтронном облучении до повреждающих доз 0,2-2 смещений на атом (сна). Величина температуры хладноломкости у конструкционных сталей в основном определяется тонкой атомной структурой.

Поэтому целью данной работы было определить возможность применения ЯГР-спектроскопии для исследования тонкой атомной структуры и выявление взаимосвязи тонкой атомной структуры с температурой хладноломкости на образцах малоактивируемых 12% хромистых сталей.

Список литературы

1. Klueh R.L., Harries D.R. High-Chromium Ferritic and Martensitic Steels for Nuclear Applications. – ASTM Monograph 3. – 2001. – 221 p.

2. Бескоровайный Н.М., Калин Б.А. и др. Конструкционные материалы ядерных реакторов: - М.: Энергоатомиздат. – 1995. - с.325.

3. Dequidt E., Arroyo J., Schirra M. The mechanical behaviour of newly designed low-activation high-chromium martensitic steels // J. of Nuclear Materials. – 1991. – v. 179-181. – Р. 659-662.

4. Klueh R. L., Gelles D. S., Jitsukawa S. et al. Ferritic/martensitic steels – overview of recent results // J. of Nuclear Materials. – 2002. – v. 307-311. – Part 1. – Р. 455-465.

5. Пат. 2033461 РФ, МПК C22C38/32, 38/38. Малоактивируемая жаропрочная сталь / (РФ). - 4951635/02; Заявлено 28.06.91; Опубл. 20.04.95. Бюл. 11.

6. Пат. 2211878 РФ, МПК C22C38/32, 38/38. Малоактивируемая жаропрочная радиационностойкая сталь / (РФ). - 2001118904/02; Заявлено 06.07.2001

7. Пат. 2001118904 РФ, МПК C22C38/32, 38/38, 38/52, 38/58. Малоактивируемая жаропрочная радиационностойкая сталь / (РФ). - 2001118904/02; Заявлено 06.07.2001; Опубл. 27.05.2003.

8. Пат. 2135623 РФ, МПК C22C38/52. Малоактивируемая радиационностойкая сталь / (РФ). - 98110529/02; Заявлено 04.06.1998; Опубл. 27.08.1999.

9. Хмелевская В.С., Иолтуховский А.Г., Малынкин В.Г. и др. Фазовые превращения и радиационное упрочнение в облученных хромистых сталях // Атомная энергия. – 1987. – т. 62. – вып. 5. – С. 318-320.

10. Хмелевская В.С., Грабова Р.Б., Малынкин В.Г., Соловьев С.П. Аномальные изменения структуры и свойств хромистых сталей и сплавов, облученных ионами // Поверхность. Физика, химия, механика. – 1990. –8. – С. 126-132.

11. Mathon M.N., Geoffroy G., Y. de Carlan et al. A SANS investigation of the irradiation-inhanced ?-?? phases separation in 7-12 Cr martensitic steels // J. of Nuclear materials. – 2003. – 312. - P. 236-248.

12. Косицына И.И., Сагарадзе В.В., Зуев Ю.Н., Перуха А. Снижение порога хладноломкости реакторной высокохромистой стали MANET-II // ФММ. – 1998. – т. 86. – вып. 2. – С. 132-138.

13. Вильданова Н.Ф., Шалаев В.И. и др. Ползучесть и структура высокохромистых феррито-мартенситных сталей // ФММ. – 1994. – т.77. - №6. – С.146-154.

14. Effects of Radiation on Materials: 19th International Symposium. ASTM STP 1366. – 2000.

15. Винтайкин Е.З., Колонцов В.Ю. Старение сплавов железо-хром // ФММ. – 1968. – 26. – вып.1. – С. 282-288.

16. Furusaka M., Ishikawa Y., Yamaguchi S., Fujino Y. Phase separation process in Fe-Cr alloys studied by neutron small angle scattering // J. Phys. Soc. Jap. – 1986. – V. 55. - №7. – P. 2253-2269.

17. Головин И.С., Сарак В.И., Спасский М.Н., Суворова С.О. Кинетика развития "хрупкости 475?С" и структура высокохромистой ферритной стали // ФММ. – 1990. - №6. – С.145-151.

18. Махнева Т.М., Елсуков Е.П., Воронина Е.В. Кинетика расслоения и фазовый состав при старении холоднокатных фольг из сплава Х15 и стали 08Х15Н5Д2Т // ФММ. – 1991. - №5. – С.130-136.

19. Родионов Ю.Л. Изучение перераспределения атомов в металлических твердых растворах методом ядерного гамма-резонанса: Дисс. … канд. физ.-мат. наук. – М., 1970. – 108 с.

20. Miller M.K., Hyde J.M., Cerezo A., Smith G.D.W. Comparison of low temperature decomposition in Fe-Cr and duplex stainless steels // Appl. Surf. Sci. – 1995. - 87/88. – Р. 323-328.

21. Сагарадзе В.В., Косицына И.И. и др. Фазовые превращения в сплавах Fe-Cr при термическом старении и электронном облучении // ФММ. – 2001. - т.92. - №5. – С. 89-98.

22. Mirebeau I., Hennion M., Parette G. First measurement of short-rangs-order inversion as function of concentration in transition alloy // Phys. Rev. Letters. – 1984. – V.57. – P. 687-690.

23. Dubuisson P., Gilbon D., Seran J. L. Microstructural evolution of ferritic-martensitic steels irradiated in the fast breeder reactor Phenix // J. Nucl. Mater. – 1993. - V. 205. – P. 178-189.

24. Каменецкая Д.С. и др. Распад твердых растворов железо-хром высокой степени чистоты // ФММ. – 1976. – 41. – вып.1. – С. 216-218.

25. Головин И.С., Сарак В.И., Суворова С.О., Дмитриев В.Б. Распад твердого раствора внедрения и расслоение высокохромистого феррита // ФММ. – 1987. - 64. – вып. 3. – С.540-548.

26. Устиновщиков Ю.И., Пушкарев Б.Е. Структурные и фазовые превращения в железохромистых сплавах // Металлы. - 1999. - №2. - C.53-58.

27. Ustinovshchikov Yu.I., Bannykh O.A. et al. Effect of heat treatment and the nitrogen content on the structure of Fe-Cr alloys // Russian metallurgy (Metally). – 2003. - №3. - Р.263-268.

28. А.Г.Иолтуховский, М.В. Леонтьева-Смирнова, В.М.Чернов и др. “Разработка жаропрочной 12%-ной хромистой стали 16Х12В2ФТаР нового поколения с быстрым спадом наведенной активности для атомной энергетики России”// Металловедение и термическая обработка металлов. – 2002. - №11. – С.60-64.

29. Бернштейн М.Л., Займовский В.А. Механические свойства металлов. – М.: Металлургия,1975.- 352с.

30. В.В. Герасимов, А.С. Монахов “Материалы ядерной техники”, Энергоиздат,1975.-352с.

31. Вертхейм Г. Эффект Мессбауэра. Принципы и применение. – М.: Мир, 1966.

32. Шпинель В.С. Резонанс гамма-лучей в кристаллах. – М.: Наука, 1969

33. Химические применения мессбауэровской спектроскопии / под ред. Гольданского В.И. - М.: Мир, 1970. – 500 с.

34. Vincze I.,Campbell I.A. Mossbauer measurements in iron based alloys with transition metals // J.Phys.F: Met.Phys. -1973. - v.3. - Р. 647-663.

35. Литвинов В.С., Каракишев С.Д, Овчинников В.В. Ядерная гамма-резонансная спектроскопия сплавов. - М.: “Металлургия”, 1982. – 144 с.

36. Бахтияров А.Ш., Бобров В.И., Васильев Л.Н. и др. // ФММ. – 1979. – т.47. – вып. 6. – С. 1212-1219.

37. Алексеев Л.А., Купалова И.К. Изучение методом ЯГР парциального упорядочения в сложнолегированном растворе // Доклады 4 Всесоюзного совещания по упорядочению атомов и его влиянию на свойства сплавов. – Томск: Изд-во томского университета, 1974. – ч. 2. – С.169-171.

38. Каракишев С.Д., Кораблев В.А., Ивченко В.А. и др. О распределении хрома и углерода в закаленной стали 35Х5 // ФММ. – 1990. - №1. – С. 163.

39. Зубков А.А., Могутнов Б.М., Шапошников Е.Г. Энтальпии образования ?-фаз в системах железо-хром, железо-кобальт-хром // ДАН СССР. – 1990. – т. 311. - №2. – С. 388.

40. Амулявичюс А., Сипавичюс Ч., Даугвила А., Давидонис Р. Исследование лазерного легирования стали 8Х4ГВ2ФН2С2Ю хромом // ФММ. – 2001. – т. 92. - №3. – С. 52-58.

41. Berns H., Duz V.A., Ehrhardt R. e.t.c. Precipiation during tempering of chromium-rich iron-based martensite alloyed with carbon and nitrogen//Z.Metallk._ 1997. – 88. - №2. – P. 109-116.

42. Гуляев А.П. Металловедение. - М.: «Металлургия», 1986. – 544 с.

43. Геллер Ю.А. Инструментальные стали. М.: Металлургия, 1975. – 584 с.

44. Mathon M.N., Geoffroy G., Y. de Carlan et al. A SANS investigation of the irradiation-inhanced ?-?? phases separation in 7-12 Cr martensitic steels // J. of Nuclear materials. – 2003. – 312. - P. 236-248.

45. Казаковцева В.А. Структурные превращения при отпуске мартенсита легированных сталей со вторичным твердением: Автореф. ... канд. физ.-мат. наук. - М., 1983. - 20 с.

46. Калошкин C.Д., Алексеев Л.А., Томилин И.А., Хоанг Фыонг Донг. Исследование перераспределения хрома между фазами при кристаллизации аморфных сплавов Fe - Cr - В методом ЯГРС // ДАН СССР. – 1985. - т.284. - № 5.

47. Ларионов В.П., Семенов Я.С. Физические основы вязкохрупкого перехода низколегированных сталей и сплавов железа. Новосибирск: Наука, 1992. – 171 с.

Примечания:

Примечаний нет.