Размещено на http://allbest.ru

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Основы теории коррозии

1.2 Виды и механизмы коррозии

1.3 Показатели коррозии

1.3.1 Показатель изменения массы

1.3.2 Объемный показатель коррозии

1.3.3 Показатель сопротивления

1.3.4 Механический показатель коррозии

1.3.5Глубинный показатель коррозии

1.4Кинетика процесса окисления металлов

1.5Химическая коррозия стали

2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Подготовки образцов

2.1.1 Отбор образцов

2.1.2 Резка образцов

2.1.3 Шлифование

2.2 Рентгеноструктурный фазовый анализ

2.2.1 Качественный рентгеноструктурный фазовый анализ

2.2.2 Количественный рентгеноструктурный фазовый анализ

2.3 Определения структуры материалов методами микроанализа

2.3.1 Методы оптической микроскопии

2.3.2 Определение микротвердости

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

3.1 Результаты длительного термического старения образцов чехла ТВС

3.1.1 Изучение фазового состава

3.1.2 Микроструктурный анализ

3.2 Результаты длительного термического старения образцов оболочки твэла

3.3 Определение параметров коррозии на основе экспериментальных данных

4. БЕЗОПАСНОСТЬ И ОХРАНА ТРУДА

4.1 Электробезопасность

4.1.1 Действие электрического тока на живой организм

4.1.2 Защита персонала от действия электрического тока

4.2 Радиационная безопасность

4.3 Пожарная безопасность

5. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

5.1 Заработная плата исполнителей

5.2 Отчисления работодателей

5.3 Прямые затраты

5.3.1 Специальное питание

5.3.2 Материальные затраты

5.4 Накладные расходы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

В Казахстане принято решение о транспортировке отработавших топливных сборок быстрого ядерного реактора БН-350 из города Актау на территорию бывшего Семипалатинского испытательного полигона. Долговременное хранение отработавшего ядерного топливо реактора БН-350 будет осуществляться на территории комплекса исследовательских реакторов «Байкал - 1» ДГП «Института атомной энергии» РГП НЯЦ РК.

В настоящее время все ядерное топливо упаковано в герметичных чехлах из нержавеющей стали, которые являются вторым барьером для выхода радионуклидов в окружающую среду, и хранится в воде бассейна выдержки реактора.

В качестве первого барьера будут использоваться герметичные оболочки твэлов, поэтому для получения прямых экспериментальных данных по коррозионному поведению барьерного материала необходимо исследовать облученный материал оболочки твэла.

Проблема заключается в том, что в настоящее время облученные оболочки не доступны и вряд ли будут доступны в ближайшем будущем.

Однако для исследования можно использовать необлученные и облученные образцы чехла ТВС из активной зоны реактора БН-350, а также необлученные оболочки твэла.

Чехол ТВС и оболочка твэла являются нержавеющие стали аустенитного класса и, поэтому, одним из немногих подходов для прогнозирования деградации первого барьера на пути выхода радиоактивных продуктов деления в окружающую среду является исследование облученного и необлученного чехлового материала и необлученной оболочки твэла.

Идея заключается в том, чтобы прогнозировать степень деградации облученного материала оболочки твэла по результатам исследования коррозионного поведения облученных и необлученных чехловых материалов.

Отжиг материалов используется для моделирования нагрева сборок за счет остаточного энерговыделения ядерного топлива. По результатам экспериментального определения скорости коррозии материалов при отжиге в среде аргона моделируются режимы сухого хранения топливных сборок реактора БН-350.

Целью исследования является: прогнозирование коррозионной повреждаемости материала оболочки твэла при штатных условиях длительного сухого хранения отработавших топливных сборок реактора БН-350.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Основы теории коррозии

Металлы и их сплавы являются наиболее важными современными конструкционными материалами. Всюду, где эксплуатируются металлические конструкции, есть вещества, которые, взаимодействуя с металлами, постепенно их разрушают: ржавление металлических конструкций в атмосфере; ржавление наружной металлической обшивки судов в речной и морской воде; разрушение металлических баков и аппаратов растворами кислот, солей и щелочей на химических и других заводах; ржавление стальных трубопроводов в земле; окисление металлов при их нагревании и т.п.

У большинства металлов в условиях их эксплуатации более устойчивым является окисленное состояние, в которое они переходят в результате коррозии. Слово «коррозия» происходит от латинского «corrodere», что означает «разъедать».

Коррозией металлов называют самопроизвольное разрушение металлических материалов вследствие химического или электрохимического взаимодействия их с окружающей средой.

Под металлами подразумеваются простые металлы и их сплавы, а также металлические изделия и конструкции. Средой, в которой происходит коррозия металлов, обычно бывают различные жидкости и газы.

Коррозия является самопроизвольным процессом разрушения металлов. Причина коррозии металлов - химическое или электрохимическое взаимодействие с окружающей средой.

Коррозионный процесс протекает на границе двух фаз металл - окружающая среда, т.е. является гетерогенным процессом взаимодействия жидкой или газообразной среды (или их окислительных компонентов) с металлом.

Коррозия металлов имеет место в большей или меньшей степени всюду, где обрабатываются металлы или эксплуатируются металлические изделия и конструкции.

1.2 Виды и механизмы коррозии

Известно несколько видов коррозии. В зависимости от характера происходящих при коррозии физико-химических процессов различают коррозию двух видов: химическую и электрохимическую.

Химическая коррозия - самопроизвольное взаимодействие металла с коррозионной средой, при котором окисление металла и восстановление окислительного компонента коррозионной среды протекают в одном акте. При химической коррозии коррозионный процесс происходит без возникновения электрического тока.

Такие коррозионные процессы происходят в среде газов и жидкостей, которые не проводят электрический ток. При таком процессе коррозионное разрушение металла заключается в том, что он, соединяясь с отдельными элементами среды, переходит в неметаллическое состояние.

Например, химическая коррозия железа при обычной температуре и при высокой (нагрев в печи).

Наиболее распространенным и практически важным видом химической коррозии металлов является газовая коррозия - коррозия металлов в газах при высоких температурах. Характерной особенностью процессов высокотемпературного окисления металлов и сплавов является образование и непрерывное нарастание на их поверхности слоя твердых продуктов реакции.

Этот слой разделяет металл и окружающую среду, поэтому ход процесса окисления зависит от диффузии металла и окислителя. Практически самой распространенной газовой средой является воздух, единственный окисляющий компонент которого - кислород, поэтому продуктами газовой коррозии обычно бывают окислы.

Слой продуктов газовой коррозии называется - окалиной. Толщина слоя окалины обычно превышает 0,1 мкм. Пленки меньшей толщины, образующиеся на поверхности металлов и сплавов при обычной или несколько повышенной температуре, называются налетом.

При изучении газовой коррозии необходимо определить характер изменения толщины пленки во времени, а также изменение структуры образующейся пленки.

Для определения толщины структуры и свойств оксидных пленок используют различные современные методы, в том числе интерференционные, электронографию, рентгенографию, электронную микроскопию.

Оксидные пленки могут быть сплошным или несплошными. Условие сплошности состоит в том, что молекулярный объем оксида должен быть больше объема металла, израсходованного на образование молекулы оксида, иначе оксида не хватит, чтобы покрыть металл сплошным слоем.

Образование оксида может происходить на поверхности металла, на поверхности или внутри оксидной пленки. Первый случай имеет место, если превалирует скорость диффузии кислорода, второй - если превалирует скорость диффузии ионов или атомов металла.

В большинстве случаев скорости диффузии соизмеримы и зона роста оксидной пленки находится внутри, несколько ближе к ее внешней поверхности.

В силу того, что радиусы ионов металла значительно меньше радиуса иона кислорода, скорость диффузии первых несколько выше. Это и является основной причиной того, что образование оксида происходит в зоне, более близкой к внешней поверхности пленки.

Электрохимическая коррозия представляет собой самопроизвольное разрушение металлических материалов вследствие электрохимического взаимодействия их с окружающей электролитически проводящей средой, при котором ионизация атомов металла и восстановление окислительного компонента коррозионной среды протекают не в одном акте и их скорости зависят от электродного потенциала металла.

Коррозионный процесс идет при возникновении электрического тока. Продуктами коррозии являются ионизированные атомы разрушающегося от коррозии металла. Электрохимической коррозии подвергаются металлы, работающие во влажной атмосфере и влажной почве, в речной и морской воде и других средах.

При взаимодействии всей поверхности металла с окружающей средой наблюдается общая, или сплошная коррозия, а при взаимодействии части поверхности - местная, или локальная.

Сплошная коррозия охватывает всю поверхность металла и может быть равномерной и неравномерной (Рисунок 1.1, а, б). Равномерная коррозия протекает с одинаковой скоростью по всей поверхности металла.

Неравномерная коррозия протекает с неодинаковой скоростью на различных участках поверхности металлов.

При общей неравномерной коррозии имеются более глубокие поражения - каверны. К этому же виду коррозии относится и структурно-избирательная коррозия, когда один из компонентов сплава растворяется с большей скоростью, чем другой.

Местная коррозия охватывает отдельные участки поверхности металла и может быть подповерхностной, точечной, пятнами, (Рисунок 1.1, в, г, д). Подповерхностная коррозия начинается с поверхности, но распространяется преимущественно под поверхностью металла таким образом, что разрушение и продукты коррозии оказываются сосредоточенными в некоторых областях внутри металла.

Точечная (питтинговая) коррозия, когда диаметр пораженного участка значительно меньше глубины проникновения. Точечная коррозия видна в виде отдельных точечных поражений. Коррозия пятнами, когда диаметр пятна значительно превышает глубину проникновения коррозии. Коррозия пятнами выражается в виде отдельных пятен.

Межкристаллитная коррозия - это коррозия, распространяющаяся по границам зерен металла (Рисунок 1.1, е).

Межкристаллитная коррозия охрупчивает металл, понижает его механические свойства, хотя его внешний вид при этом не изменяется. Местная коррозия более опасна, чем сплошная, так как при сравнительно небольших потерях металла полностью выходят из строя дорогостоящие конструкции.

Рисунок 1.1 - Схема различных видов коррозии

а - сплошная равномерная, б - сплошная неравномерная, в - подповерхностная, г - точечная, д - пятнами, е - межкристаллитная

1.3 Показатели коррозии

Для установления скорости коррозии металла в данной среде обычно ведут наблюдения за изменением во времени какой-либо характеристики, объективно отражающей изменение свойства металла.

Чаще всего в коррозионной практике используют следующие показатели:

1.3.1 Показатель изменения массы

Показатель изменения массы - изменение массы образца в результате коррозии отнесенный к единице поверхности металла S и к ф единице времени (например, г/м² ч).

В зависимости от условий коррозии различают:

а) отрицательный показатель изменения массы

	(1.1)

где ?m - убыль массы металла за время коррозии после удаления продуктов коррозии (г),

S - площадь поверхности металла (м²),

ф - единица времени (ч);

б)положительный показатель изменения массы

	(1.2)

где ?m - увеличение массы металла за время вследствие роста пленки продуктов коррозии.

Если состав продуктов коррозии известен, то можно сделать пересчет от к и наоборот

	(1.3)

где А_Ме - атомная масса метала, г;

А_ок - атомная масса окислителя, г;

n_Ме - валентность метала;

n_ок - валентность окислителя.

1.3.2 Объемный показатель коррозии

К_объемн - объем поглощенного или выделившегося в процессе газа ?V, приведенный к нормальным условиям (то есть t=0 ?С и Р=1 атм.) и отнесенный к единице поверхности металла и к единице времени [см³/см²ч].

	(1.4)

1.3.3 Показатель сопротивления

Изменение электрического сопротивления образца металла за определенное время испытаний также может быть использован в качестве показания коррозии (К)

КR = (R/Ro) 100 % за время t,	(1.5)

где R_o и R электрическое сопротивление образца соответственно до и после коррозии.

У этого способа есть некоторый недостаток толщина металла во все время испытаний должна быть одинаковой и по этой причине чаще всего определяют удельное сопротивление, т.е. изменение электрического сопротивления на единицу площади образца (см, мм) при длине равной единице.

Этот метод имеет ограничения применении (для листового металла не более 3 мм). Наиболее точные данные получают для проволочных образцов. Этот метод не пригоден для сварных соединений.

1.3.4 Механический показатель коррозии

Изменение какого - либо свойства металла за время коррозии.

Сравнительно часто пользуются изменением предела прочности.

Прочностной показатель при этом выражается

Кo = (в/во) 100 % за время t,	(1.6)

где _в - изменение предела прочности при растяжении после коррозии образца в течение времени;

_во - предел прочности до коррозии.

1.3.5 Глубинный показатель коррозии

К - глубина разрушения металла П в единицу времени (например, мм/год)

КП=П/	(1.7)

Глубина коррозионного разрушения П может быть средней или максимальной. Глубинный показатель коррозии можно использовать для характеристики как равномерной, так и неравномерной коррозии (в том числе и местной) металлов. Он удобен для сравнения скорости коррозии металла с различными плотностями. Переход от массового, токового и объемного к глубинному показателю коррозии возможен при равномерной коррозии.

1.4 Кинетика процесса окисления металлов

Экспериментально установлены зависимости между приростом массы окалины или убылью массы металла и временем протекания реакции. Эти зависимости носят название закономерностей или законов окисления металлов. Важнейшими законами окисления металлов являются линейный, параболический (степенной) и логарифмический.

Линейный закон позволяет выразить следующим уравнением рост слоя окалины на металле

y=k1•,	(1.8)

где y - прирост массы окисленного металла на единицу поверхности;

- продолжительность реакции окисления;

k₁ - постоянная.

Линейный закон характерен, главным образом, для металлов, у которых отношение объемов окисла к объему прокорродировавшего металла, то есть коэффициент Пиллинга - Бредворта, меньше 1, и неполный слой окислов не защищает поверхность. В этом случае окислитель свободно поступает к поверхности металла через неплотный окисный слой.

Степенной закон роста слоя был открыт при исследовании взаимодействия металлического серебра с парами иона. Его можно выразить уравнением

y2=k2•,	(1.9)

где k₂-постоянная.

В этом случае свободный доступ окислителя к поверхности металла прекращается, а скорость роста слоя зависит от диффузии реагентов. По мере увеличения толщины слоя эта скорость уменьшается. Такая закономерность характерна для окисления при высоких температурах таких металлов, как медь, никель, железо, хром и кобальт.

Закон логарифмического роста слоя выражается уравнением

y=k3 ln (a +b),	(1.10)

где k₃, а и b-постоянные.

При окислении по логарифмическому росту торможение росту слоя по мере увеличения его толщины проявляется гораздо сильнее по сравнению с предыдущим процессом. Эксперименты показали, что по логарифмическому закону протекает начальное окисление таких металлов, как медь, железо, никель, свинец, селен, марганец, фтор, титан и тантал.

1.5 Химическая коррозия стали

Сталь представляет собой деформированный (ковкий) сплав железа с углеродом и с примесями марганца, кремния, серы, фосфора и других элементов. Обычные сорта стали, применяемые в машиностроении, содержат от 0,05 до 1,5 % углерода.

Стали можно классифицировать по: химическому составу, микроструктуре, способу производства и применению. По химическому составу сталь подразделяют на: углеродистую и легированную.

По микроструктуре различают:

перлитный класс стали -- сталь, имеющая после нормализации структуру перлит, перлит+феррит, перлит+заэфтектоидные карбиды;

мартенситный класс - сталь, со сниженной критической скоростью закалки, имеющая после охлаждения на воздухе мартенситную структуру;

аустенитный класс - сталь, в которой под влиянием легирующих элементов точка полиморфного превращения твердого раствора на базе гамма - железо (г - Fe) в твердый раствор на базе альфа - железо (б - Fe) ниже комнатной температуры; после нормализации структура такой стали состоит из аустенита или аустенита и карбидов (высоколегированная нержавеющая, жаростойкая и жаропрочная стали);

ферритный класс - сталь, легированная элементами, суживающими и замыкающими на диаграмме состояние область существования твердого раствора на базе б - модификации железа, при определенном содержании этих легирующих элементов сталь после нормализации будет иметь структуру феррита или феррита и карбидов;

карбидный класс - сталь с высоким содержанием углерода и карбидообразующих элементов: в литом состоянии в структуре такой стали имеется карбидная эвтектика, в деформированном состоянии - первичные и вторичные карбиды. Типичным примером стали карбидного класса может служить быстрорежущая сталь.

По способу производства различают:

сталь обыкновенного качества - углеродистая сталь с содержанием углерода обычно не менее 0,6 % и имеет чаще всего повышенное содержание серы и фосфора, также повышенное количество неметаллических включений;

сталь качественная - углеродистая или легированная сталь. Содержание серы и фосфора не должно превышать 0,04 % количества неметаллических включений;

сталь высококачественная - углеродистая или легированная, чаще всего усложненного химического состава. Содержание серы и фосфора не должна превышать 0,030 % и 0,035 %. Обладает также повышенной чистотой по неметаллическим включениям.

Нержавеющие стали аустенитного класса, имеют скорость коррозии от 0,0008 до 0,003 мм/год или от 5 до 20 мг/(дм²•месяц).

В практике кроме равномерного окисления поверхности металлического материала, наблюдается случаи локализации коррозионного разрушения на отдельных участках. Одним из видов неравномерной коррозии является так называемая межкристаллитная коррозия. Она характеризуется разъеданием металла главным образом по границам кристаллитов, что приводит к значительной потере прочности материала, несмотря на сравнительно небольшую весовую потерю. Глубокое проникновение разъедания границ приводит иногда к распаду металлического материала на отдельные зерна. Сам факт межкристаллитного разрушения уже свидетельствует о наличии механических напряжений в металле. Для протекания чистой межкристаллитной коррозии необходимо определенное состояние материала и наличие соответствующей коррозионной среды.

Проявление межкристаллитной и транскристаллитной коррозии неприятны тем, что обнаруживаются они с большим трудом и большей частью уже тогда, когда наступило разрушение поврежденной детали. Обычные, характерные продукты коррозии здесь почти всегда отсутствуют и в ряде случаев влияние коррозии, содействующее разрушению материала практически незаметно.

Основная причина межкристаллитной коррозии состоит в том, что зерна и границы зерен имеют неодинаковый химический состав, причем границы наиболее загрязнены различными примесями. Вследствие этого границы зерен и сами зерна по-разному ведут себя. Несколько более распространен в настоящее время другой взгляд. Считается, что процессы выделения пограничных фаз вызывают разность потенциалов между внутренней частью зерна и его границей, а это ведет к анодному растворению границ зерен и затем к межкристаллитному распаду.

При окислении сталей образованию окалины сопутствует процесс обезуглероживания, интенсивность которого с ростом температуры возрастает.

Состав стали в большой степени влияет на её газовую коррозию. Помимо основных компонентов - железа и углерода, в стали имеются и другие элементы либо в виде примесей, которые невозможно удалить, либо в виде специальных добавок (легированные стали). Если примеси или добавки не превышают 1 %, то они не оказывают влияния на поведение стали при высокой температуре.

Наиболее важным элементом, придающим стали коррозионную стойкость, является хром (не менее 5 %). С увеличением содержания хрома растёт сопротивляемость стали воздействию высокой температуры (жаростойкость). Положительное влияние на жаростойкость оказывают добавки алюминия (от 3 до 4 %) и кремния (от 2 до 4 %).

Причина сопротивления стали газовой коррозии состоит в образовании защитных слоев Cr₂O₃, Al₂O₃, SiO₂ и их комбинаций с окислами железа, а также в наличии в сплаве других примесей, например соединений типа FeO·Al₂O₃, FeO·Cr₂O₃, MnO·Cr₂O₃, или (Fe, Ni)O·(Fe, Cr)₂O₃.

Процесс образования окалины при окислении стали:

в интервале температур от комнатной до 200 ?С наблюдается образование пленки, состоящей из г-Fe₂O₃;

от 200 до 400 ?С - возникновение наружного слоя б-Fe₂O₃ на внешней стороне окалины. В двух случаях наблюдается логарифмический рост окалины;

от 400 до 575 ?С - возникновение подслоя Fe₃O₄ на внутренней стороне окалины;

от 575 до 730 ?С - возникновение подслоя FeO на внутренней стороне окалины. В этих случаях закон роста - степенной, с n>2;

от 730 до 780 ?С - магнитное (б-Fe>в-Fe) и эвтектоидное (перлит>аустенит эвтектоидной концентрации) превращение в стали. Параболический закон роста;

от 780 до 1150 ?С - аллотропическое превращение в стали (в-Fe>г-Fe) также наблюдается параболический закон роста окалины;

выше 1100 ?С - частичная диссоциация Fe₂O₃, для которой характерен сложно-параболический закон роста.

2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Подготовки образцов

2.1.1 Отбор образцов

Для испытаний металлов и сплавов следует применять плоские образцы, вырезанные из металла в состоянии поставки или их изделий. Грани образцов должны быть скруглены радиусом 1,5 мм.

Для оценки жаростойкости изделий и образцов при натурных и стендовых испытаниях допускается применять образцы другой формы и размеров в зависимости от назначения и вида испытываемых материалов.

При изготовлении образцов из проката и других изделий, имеющих направленную текстуру деформации, образцы вырезают вдоль направления волокон.

2.1.2 Резка образцов

Резка образцов производится на эрозионном станке. Эрозионный станок модели 4531 предназначен для вырезания по копиру сложно контурных изделий из метало - керамических твердых сплавов и других токопроводящих материалов, обработка которых другими способами крайне затруднена, а в ряде случаев невозможна.

Станок обеспечивает возможность разрезания и вырезания прямолинейных изделий без копира и образования узких щелей, изготовления из одной твердосплавной заготовки точно сопрягаемых деталей со строго параллельными гранями и равномерно распределенным зазором. На станке могут изготовляться рабочие элементы вырубных и некоторых других типов гибочных штампов и высадочных матриц, фасонные резцы и тому подобные изделия.

Станок может быть использован в инструментальном производстве, инструментальных цехах промышленных предприятий, а также в основном производстве машиностроительной и приборостроительной промышленности.

Таблица 2.1 - Технические характеристики электроискрового станка модели 4531

Наибольшие размеры обрабатываемых деталей, мм	160x125x45
Наименьшая толщина обрабатываемых деталей, мм	5
Размеры рабочей поверхности стола, мм	15x185
Продольный ход каретки со столом, мм	120
Поперечный ход головки со скобой, мм	85
Раствор скобы, мм	20 - 40
угол поворота скобы в двух плоскостях, град	3
Диапазон средних линейных скоростей, при обработке, мм/мин.	0,03--3,0
Диапазон диаметров электрода-проволоки, мм	0,1 - 0,2
Точность вырезки прямоугольных щелей, мм	±0,01
Рабочая жидкость	керосин
Толщина слоя керосина над заготовкой (наименьшая), мм	3 - 5
Класс чистоты обрабатываемой поверхности	5 - 7
Габаритные размеры станка (длина х ширина х высота), мм	630x750x1400
Вес станка, с электрооборудование	430

2.1.3 Шлифование

Для удобства приготовления шлифов образцы помещают в металлические оправки - кольца круглой или эллипсовидной формы и заливают легкоплавким веществом: серой. Поэтому залитые образцы можно, при необходимости, освобождать из оправки, нагревая их.

Поверхность образца шлифуют с малой подачей при интенсивном охлаждении. Припуск на шлифовку должен быть не менее 0,3 мм на сторону. Шероховатость поверхности должна соответствовать 7 - 8 классу частоты по ГОСТ 2789-59.

Образец обрабатывают на вращающемся шлифовальном круге или опиливают напильником. При большой скорости вращения шлифовального круга подготовку поверхности ведут с охлаждением образца и малым нажимом. Перегрев образца и сильное механическое воздействие могут вызвать изменение микроструктуры, что приведет к ошибочному результату исследования. Полученная поверхность должна быть плоской и не иметь завалов.

Существуют два способа шлифования образцов: ручной и механический.

При ручном способе шлифования на жесткую плоскую подкладку (толстое стекло или лист металла), расположенную горизонтально, кладут наждачную бумагу. Затем образец ставят на бумагу заторцованной плоскостью и шлифуют с легким нажимом. Шлифование ведут до полного уничтожения рисок, оставшихся после торцовки. Когда на шлифе останутся риски только от бумаги, шлифование прерывают.

Шлифовальную бумагу удаляют с подкладки, стряхивая с нее выкрошившиеся абразивные зерна и частицы металла. Остатки абразива удаляют также с подкладки и шлифа, протирая их куском чистой мягкой ткани или ватным тампоном. После этого операцию шлифования повторяют на бумаге с более мелким зерном. При повторном шлифовании направление движения образца должно быть перпендикулярно направлению рисок, оставшихся от первого шлифования. Шлифуют образцы, используя последовательно бумагу с меньшим номером зернистости и каждый раз изменяя направление движения шлифа на 90°. Изменение направления движения шлифа позволяет полностью уничтожить риски, оставшиеся после предыдущего шлифования. Закончив шлифование на бумаге с самым мелким зерном, образец промывают проточной водой и полируют.

Шлифование металлографических образцов механическим способом ведут на специальных шлифовальных станках. Шлифовальный станок (рисунок 2.1) представляет собой один или несколько металлических кругов (1), приводимых в движение электродвигателем (2). На металлические круги накладывают или наклеивают круги, вырезанные из шлифовальной бумаги, а иногда вместо шлифовальной бумаги крупной зернистости применяют карборундовые круги. При механическом шлифовании, также как и при ручном, меняют шлифовальные шкурки, последовательно переходя от крупнозернистых к мелкозернистым. При механическом шлифовании образцы часто нагреваются; в этом случае их можно периодически охлаждать в воде.

Рисунок 2.1 Шлифовальный станок.

Перед началом коррозионных испытании необходимо определить исходные размеры образцов с точностью 0,1 мм. Перед испытанием образцы должны быть обезжирены этиловым спиртом, эфиром или другими органическими летучими растворителями.

2.2 Рентгеноструктурный фазовый анализ

Фазовым анализом называется установление наличия фаз в исследуемом образце, их идентификация (качественный анализ) и определение относительного содержания фаз (количественный анализ). Каждое кристаллическое вещество характеризуется атомным составом, кристаллической решеткой и расположением атомов в элементарной ячейке и поэтому дает специфическую рентгеновскую дифракционную картину. Таким образом, получаемая в эксперименте рентгеновская дифракционная картина многофазного поликристаллического образца есть сумма рентгенограмм всех фаз, находящихся в образце. Дифракционной характеристикой вещества служит спектр значений межплоскостных расстояний d и относительных интенсивностей (I) отражений от этих плоскостей, полученной на монохроматическом излучении.

Знание межплоскостных расстояний исследуемого объекта позволяет, таким образом, охарактеризовать его кристаллическую решетку и установить во многих случаях, с каким веществом (фазой) мы имеем дело

В основу методов рентгеновской дифрактометрии кристаллов заложено изучение дифракции рентгеновских лучей на кристаллической решетке. При освещении кристалла монохроматическим рентгеновским пучком при некоторых геометрических условиях наблюдаются пучки, дифрагированные на различные относительно падающего пучка углы (Рисунок 2.5). Условие дифракции, отвечающее максимумам интенсивности дифрагированных пучков выражается формулой Вульфа-Брэгга

,	(2.5)

где л - длина волны излучения;

d - межплоскостное расстояние, измеренное по нормали к дифрагирующей плоскости;

- угол дифракции (угол Брэгга);

n - порядок отражения.

Из формулы Вульфа-Брэгга следует, что

.	(2.6)

Поскольку - длина волны характеристического излучения, в котором получена рентгенограмма, есть величина известная, то задача определения межплоскостных расстояний сводится к нахождению углов для всех линий рентгенограммы.

Рисунок 2.5 - Отражение рентгеновских лучей на кристалле.

Другая характеристика дифрагированных пучков - относительная (или абсолютная) интенсивность - определяется взаимным расположением атомов в элементарной ячейке. Обе эти особенности дифракции монохроматических рентгеновских лучей широко и плодотворно используются как для расшифровки строения кристаллов, так и с целью их идентификации.

В поликристаллических образцах дифракция происходит на многих кристаллитах одновременно. Определение фазового состава поликристаллических веществ по их межплоскостным расстояниям является одной из наиболее распространенных и сравнительно легко решаемых задач рентгеноструктурного анализа. Важно, что она может быть решена для любого поликристаллического вещества независимо от типа его кристаллической решетки.

Выше дано определение фазового анализа. Теперь рассмотрим ход анализа. Для этого надо начать с установления наличие фаз в исследуемом образце, и их идентификации, т.е. качественного анализа.

2.2.1 Качественный рентгеноструктурный фазовый анализ

Для решения вопроса о том, какая фаза присутствует в образце, нет необходимости в определении ее кристаллической структуры, а достаточно, рассчитав дифрактограмму, снятую по методу порошка, сравнить полученный ряд межплоскостных расстояний с табличными значениями.

Совпадение (в пределах ошибок эксперимента) опытных и табличных значений d/n и относительной интенсивности линий позволяет однозначно идентифицировать присутствующую в образце фазу.

Сравнение с табличными результатами начинают с наиболее интенсивных линий. Если три - четыре наиболее интенсивных линии предполагаемой фазы отсутствуют, то полученные значения d/n следует сравнивать с табличными для другой фазы.

Межплоскостные расстояния для различных неорганических фаз имеются в ряде справочников. Наиболее полный и постоянно обновляемый определитель фаз - картотека ASTM (Американское общество испытаний материалов).

Если в анализируемом образце присутствуют несколько фаз, то рентгенограмма является результатом наложения дифракционных картин от всех этих фаз, причем интенсивность каждой линии зависит от ее объемной доли.

В таком случае пользование таблицами наталкивается на принципиальные трудности, поскольку наиболее сильные линии рентгенограммы могут принадлежать разным фазам, и возникает необходимость проверки большого числа их возможных комбинаций. Для повышения чувствительности метода фазового анализа необходимо правильно подобрать условия съемки.

Прежде всего для уменьшения фона, вызванного сплошным спектром, испускаемым рентгеновской трубкой, следует выбирать рабочее напряжение U= 3: 4 U0 (U0 - потенциал возбуждения характеристического излучения материала анода).

При применении селективно поглощающего фильтра, кроме ослабления сплошного спектра, можно избавиться от -линий, затрудняющих идентификацию фаз в многофазных композициях. Крупнокристаллические образцы следует во время съемки вращать, чтобы увеличить количество вещества, участвующего в создании рентгеновской картины.

Применение кристалла-монохроматора также позволяет устранить фон от сплошного излучения.

Повысить чувствительность метода можно также соответствующим приготовлением образца. Если используется многофазный шлиф, то его поверхность лучше очистить химическим или электролитическим травлением.

Интенсивность линий различных фаз на рентгенограмме зависит от многих факторов, в том числе и от количества той или иной фазы. С увеличением содержания фазы в смеси интенсивность принадлежащих ей линий возрастает.

Однако надежное определение наличия той или иной фазы возможно лишь при некоторых минимальных ее количествах. Уменьшение количества какой-то фазы может привести к практически полному исчезновению ее линий на рентгенограмме.

2.2.2 Количественный рентгеноструктурный фазовый анализ

Количественный фазовый анализ, т.е. определение количества какой-либо одной или ряда фаз в многофазных композициях, основан на том, что интенсивность линий данной фазы пропорциональна объемной доле данной фазы в смеси.

Анализ основан на количественном сравнении интенсивности линий разных фаз друг с другом или с интенсивностью линии эталона, снимаемого в тех же условиях.

Существует много разновидностей методов рентгеновского количественного фазового анализа, описанных в специальной литературе.

В любом из них происходит сравнение интенсивности так называемых “аналитических” линий каждой фазы - обычно линия наибольшей интенсивности, свободная от наложения других линий анализируемой или остальных фаз многофазного образца. В отделе материаловедческих исследовании ИАЭ используется экспресс метод полуколичественного анализа.

Для проведения количественного анализа необходимо решить проблему, связанную с изменениями интенсивности дифракционных линий фаз в зависимости от свойств самой фазы. В общем случае зависимость интенсивности дифракционных линий от концентрации фазы не является линейной, так как помимо этого на интенсивность линий оказывает влияние способность фаз поглощать энергию и концентрация всех присутствующих фаз в материале. Уменьшение энергии первичного пучка в результате поглощение фазой можно записать в виде

,	(2.7)

где - интенсивность первичного пучка;

- интенсивность пучка после прохождения приповерхностного слоя фазы толщиной ;

- линейный коэффициент поглощения (см^-1).

Существует понятие массового коэффициента поглощения (), который не зависит от агрегатного состояния вещества и равен

,	(2.8)

где - плотность материала, г/см³.

В основе всех существующих методов количественного фазового анализа лежит следующее фундаментальное уравнение

,	(2.9)

где - интенсивность некоторого выбранного рефлекса фазы ;

- экспериментальная постоянная, зависящая от энергии первичного пучка, индексов Миллера (hkl) и условий съемки;

- массовый коэффициент поглощения фазы ;

- содержание фазы (%);

- плотность фазы .

В связи с неопределенностью и уравнение (2.9) в представленной форме нельзя использовать на практике. Для определения содержания фаз в образце выражение (2.9) необходимо преобразовать в следующий вид:

	(2.10)

Следует отметить, что. В данном случае - это количество базовой фазы. Таким способом можно определить содержание фаз в материале, если известны коэффициенты отражения для всех имеющихся фаз, в качестве которых может быть использовано отношение интенсивностей аналитической линий исследуемой фазы к интенсивности аналитической линии какой-либо эталонного соединения.

Зная коэффициенты отражения (корундовое число), и используя выражения (2.10) можно проводить полуколичественный фазовый анализ материалов. В этом случае в качестве базовой фазы можно взять любую фазу, которая присутствует в материале.

2.3 Определения структуры материалов методами микроанализа

Микроскопический анализ заключается в исследовании структуры материалов при больших увеличениях с помощью микроскопа. Наблюдаемая структура называется микроструктурой. В зависимости от требуемого увеличения для четкого наблюдения структуры, в микроскопах используют обычные оптические системы и электронные лучи.

Применения различного излучения и микроскопов разных конструкций (оптических и электронных) требует различной специальной подготовки объектов и особых методов расшифровки наблюдаемых изображений.

2.3.1 Методы оптической микроскопии

Исследование структуры методом оптической микроскопии, предложенное П. П. Аносовым в 1831 г., широко используется для изучения строения металлов и для технического контроля их качество в промышленности. Это объясняется тем, что между структурой металла, видимой в оптическом микроскопе (при использовании белого света), и многими его свойствами существует, достаточно определенная, хотя и качественная связь. Микроанализ позволяет во многих случаях объяснить причины изменения свойств сплавов в зависимости от изменения химического состава и условия обработки.

Применения белого света позволяет наблюдать структуру металла при общем увеличении от нескольких десятков от 2000 до 3000 раз. Однако полезное увеличения, определяемое условиями дифракции света, как будет показано, не может быть выше 1500 раз. При таком увеличении можно обнаружить раздельно элементы структуры размером не менее 0,2 мкм, что в большинстве случаев достаточно для определения размеров многих фаз, присутствующих в материалах. Это позволяет успешно применять метод оптической микроскопии для наблюдения структуры многих металлических сплавов.

Выбор увеличения в пределах, допускаемых оптическим микроскопом, решаются в зависимости от конкретной структуры сплавов. В одних случаях нет необходимости (и даже целесообразно) применять большое увеличение, для других сплавов изучение структуры при большом увеличении является необходимым. Представление об общем кристаллическом ее строении может оказаться менее отчетливым, так как в поле зрения не будет находиться достаточного числа зерен, а будет только одно зерно, а при еще большом увеличении - даже часть зерна.

Микроанализ позволяет установить распределения карбидов. Просмотр структуры при увеличении в 100 раз дает отчетливое представление о характере их распределение (карбидной плосчатости). Увеличение 500 раз ясно обнаруживает размеры и форму лишь отдельных карбидов.

Иногда необходимо получить определенное представление о строении металлической основы стали, в данном случае мартенсита. Установлено, что структура металлической основы представлена мелкими кристаллами мартенсита, то механические свойства шарикоподшипниковой стали выше, чем в случае, когда кристаллы мартенсита крупные. Однако ни мелкое-, ни крупнокристаллический мартенсит выявить невозможно, если наблюдение структуры проводят при малом увеличении (100 - 200 раз). Чтобы определить в структуре стали присутствие мелко - или крупнокристаллического мартенсита, необходимо большие увеличение (до 1000 раз и большее).

2.3.2 Определение микротвердости

Этим методом определяют твердость отдельных фаз и структурных составляющих, твердость внутри отдельных зерен, тонкого поверхностного слоя (после химико-термической обработки) листов фольги.

Испытание проводят в соответствии с требованиями ГОСТ 9450 - 76.

При определении микротвердости в испытуемый образец под действием нагрузки Р вдавливается алмазный наконечник, имеющий форму пирамиды. При испытании

величина нагрузки может находиться в пределах 0,005 - 0,5Н.

После снятия нагрузки на поверхности остается отпечаток в виде пирамиды с квадратным основанием (рис. 28). Для определения числа твердости Н нагрузку Р делят на условную площадь боковой поверхности отпечатка:

(2.11)

где Р _ нагрузка на пирамиду, Н;

б _ угол между боковыми гранями пирамиды, равный 136°,

d _ диагональ отпечатка, мм.

Чтобы не проводить вычисления, пользуются таблицами: (приложение к ГОСТ 9450 - 76), в которых приведены значения микро твердости в зависимости от прилагаемой нагрузки и длины диагонали отпечатка (чем больше длина диагонали, тем меньше твердость металла).



Рисунок 2.6 Схема расположения отпечатка при измерении микротвердости

Микротвердость определяют на плоской полированной чистой поверхности. При приготовлении образца особое внимание обращают на то, чтобы не произошло наклепа или нагрева поверхности, что может привести к искажению величины микротвердости.

При выборе нагрузки руководствуются величиной площади участка, твердость которого измеряется, и толщиной образца (или слоя). Минимальная толщина образца должна быть больше диагонали отпечатка в 1,5 раза. Расстояние от центра отпечатка до края образца или края соседнего отпечатка должно быть не меньше 2d.

Рисунок 2.7 - Общий вид прибора ПМТ-3

Измерение микротвердости. Испытание обычно проводят на приборе ПМТ-3 (рисунок 2.7). Образец 1 помещают на пластину 17, которую закрепляют на вращающемся столике 18 прибора. Если образец не имеет плоской опорной поверхности, под него на пластину кладут кусочек пластилина и прессом 21 закрепляют на нем. Рукояткой 20 столик поворачивают до упора в крайнее правое положение. Гайкой 6 кронштейн 7 микроскопа закрепляют на определенной высоте.

Наблюдая в окуляр 11 (со шкалой), производят наводку на резкость (необходимо получить четкое изображение испытуемой поверхности). Для этого микрометрическим винтом 9 и микрометрическим винтом 8 перемещают тубус 13. Столик в двух взаимно перпендикулярных направлениях перемещается с помощью винтов 2 и 19. Вращая оправу окуляра 17, устанавливают резкое изображение перекрещивающихся нитей окулярного микрометра 10.

Вращением барабана 12 устанавливают перекрестие нитей (двойной штрих) в центре поля зрения на четвертое деление шкалы (рисунок 2.8, а). Испытуемый участок образца подводят под перекрестие нитей, передвигая столик винтами 2 и 19. Проверяют еще раз наводку на резкость. На шток 16 нагружающего устройства 5 ставят груз 3 (шайба с прорезью). Рукояткой 20 плавно поворачивают предметный столик в крайнее левое положение до упора и также плавно нагружают образец, поворачивая на себя рукоятку 14. После выдержки образец разгружают, поворачивая рукоятку 14 от себя. Затем рукояткой 20 плавно поворачивают столик в крайнее правое положение до упора (не допуская удара об упор) и окулярным микрометрометром 10измеряют диагональ полученного отпечатка с точностью ± 0,5 наименьшего деления шкалы (при увеличении объектива от 30 до 40Ч). Для этого перекрестия шкалы подводят в плотную сначала к правому углу отпечатка (рисунок 2.8, б), совмещая нити со сторонами отпечатка, и записывают первое показание, после этого перекрестия шкалы подводят в плотную к левому углу отпечатка (рисунок 2.8, в) и записывают второе показание. Для определения длины диагонали в делениях окуляра - микрометра из первого показания вычитают второе. Цена деления лимба барабана равна 0,3 мкм. Поэтому для определения длины диагонали (в мкм) полученную разность умножают на 0,3.

Рисунок 2.8 _ Измерение отпечатка при измерении микротвердости

Измерение микротвердости очень тонкое определение и выполняется с большой тщательностью. Колебание прибора, толчки, резкое нагружение, неправильная подготовка и установка образца, недостаточная наводка на резкость, трещины или сколы алмазной пирамиды приовдят к искажению формы отпечатка и, следовательно, результатов испытания. Поэтому перед началом испытания проверяют правильность установки прибора и его тарриовку.

Для этого наносят контрольные отпечатки на металлические эталоны, прилагаемые к прибору. Твердость эталона выгравирована на его боковой грани. Если прибор дает неправильные показания, его тарируют, изменяя винтом 4 (см. рисунок 2.7) величину нагружения. При этом же проверяют центрирование прибора. Для этого штрих шкалы устанавливают на деление 4, что соответствует расположению перекрестия в центре поля зрения, и делают пробный отпечаток (рисунок 2.9, а). Если вершина отпечатка не совпадает с перекрестием нитей, то ее совмещают поворотом центрировочных винтов 15 и ставят контрольный отпечаток (рисунок 2.9, 6). После этого прибор готов к испытаниям.

Рисунок 2.9 _ Центрирование отпечатка при измерении микротвердости

Для определения микротвердости радиоактивных материалов пользуются дистанционным микротвердомером ПМТ-4. В этом приборе предусмотрена надежная защита исследователя от радиоактивного излучения.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Целью исследования является: прогнозирование коррозионной повреждаемости материала оболочки твэла при штатных условиях длительного сухого хранения отработавших топливных сборок реактора БН-350.

Для достижения поставленных целей необходимо решить следующие задачи:

- определить зависимости коррозионного поведения облученных и необлученных образцов чехла ТВС и необлученной оболочки твэла;

- провести прогноз коррозионной повреждаемости облученных и необлученных материалов чехла ТВС.

- провести прогноз коррозионной повреждаемости облученных материалов оболочки твэла и определить степень повреждения.

Общая информация. Для проведения работ определенных в рамках данного дипломного проекта, из образца отработавшего чехла ТВС ЦЦ-19 реактора БН-350 из отметки + 175мм от ЦАЗ методом прецизионной электроискровой резки были изготовлены микрообразцы с размерами 3х10х0,6. Аналогичным образом были подготовлены образцы из необлученного чехла ТВС. Образцы из оболочки твэл были изготовлены в виде цилиндров высотой 10 мм наружным диаметром 7 мм и толщиной стенки 0,5 мм. Все образцы шлифовались и полировались до шероховатости поверхности 20 мкм. Для предотвращения осыпания окалины, все грани образцов скруглялись. Перед отжигом образцы были обезжирены ацетоном и протерты спиртом. Измерение размеров образцов проводились микрометром с точностью 0,01 мм, а масса образцов измерялась на весах ВЛР-20 г с точностью до 5 мкг.

3.1 Результаты длительного термического старения образцов чехла ТВС

Коррозионные испытания образцов чехла ТВС реактора БН-350 проводились в электрической муфельной печи SNOL-8,2/1100, при температуре 400 С в среде аргона. Постоянное поддержание в рабочей камере заданной температуры осуществляется встроенным ПИД регулятором OMRON E5CN, c точностью ±2 С. Данная печь позволяет достигнуть заданной температуры за время не более 2 минут.

Отжиг облученных и необлученных образцов чехла ТВС проводилась в среде аргона в ампульных устройствах. Ампула (рисунок 3.1) изготовлена из отрезка трубы Ду-20.

С одной стороны вварена заглушка (1) с другой резьбовая пробка (2).

Уплотнение ампулы осуществляется с помощью отожженной медной прокладки (3).

Для подсоединения к газовой системе к пробке ампулы вварен штуцер Ду-4. В каждое ампульное устройство вложены по два кварцевых тигля (5) с пятью микрообразцами чехла ТВС (6) в каждом. Образец оболочки твэла (7) был помещен в керамическую лодочку (8), которая была предварительно отожжена при температуре 1000 С в течение 3 часов с целью удаления остаточных газов.

Рисунок 3.2 - Ампульное устройство

Перед началом отжига ампула с образцами устанавливается в печь, вакуумируется и заполняется рабочей средой (аргон).

Давление в ампуле при достижений в печах рабочих температур поддерживается на уровне 1,75 атм.

Началом испытания считается момент достижения в рабочей камере печи заданной температуры.

Окончанием испытания считается момент выключения печи или выгрузки образцов по истечении срока испытания.

Для определения кинетики коррозии образцов проводилась периодическая выгрузка из муфельной печи для определения привеса. Взвешивание образцов до и после термического старения проводили на весах ВЛР-20 г с точностью 0,005 мг.

Экспериментальные результаты изменения массы образцов чехла ТВС от времени при температур 400 С представлена ниже (рисунок 3.2).

Рисунок 3.2 - Кинетика окисления образцов чехла ТВС при температуре 400 С.

Как видно на диаграмме удельное увеличение массы необлученного образца больше, чем облученного. Это противоречит результатам, полученным при старении в атмосфере. В то же время на диаграмме видно, что в начале эксперимента (до 30 часов) наблюдается потеря массы, которая составляет 0, 07 % (облученные) и 0,03 % (необлученные).

Вероятно, это явление можно объяснить дегазацией образцов и (или) старением материала.

В исходном состоянии сталь 12Х18Н10Т содержит около 0,12 % углерода, который в процессе нагрева диффундирует на поверхность металла, где связывается со свободным кислородом и улетучивается. Но одновременно с этим в образец диффундирует кислород, образуя защитную оксидную пленку, что приводит к замедлению и остановке диффузии углерода на поверхность. В облученных образцах кроме углерода присутствует водород и гелий, который вносит свой вклад в процесс дегазации.

При проведении экспериментов по длительным отжигам измеряли, изменение массы отжигаемого образца m. Так как

m = V +V (3.1)

то, изменение массы есть сумма изменения объема за счет образования оксидной пленки (первое слагаемое в уравнение 3.1) и изменения плотности в результате процессов старения материала (второе слагаемое в уравнение 3.1).

Из чего следует, что экспериментальные кривые приведенные на рисунке 3.2 являются результирующими двух процессов (коррозии и старения).