Materiały Reaktorowe. Efekty fizyczne uszkodzeń radiacyjnych

Transkrypt

1 Materiały Reaktorowe Efekty fizyczne uszkodzeń radiacyjnych

2 Stale stopowe Stal stopowa stal, w której oprócz węgla występują inne dodatki stopowe o zawartości od kilku do nawet kilkudziesięciu procent, zmieniające w znaczny sposób charakterystyki stali. Wprowadzenie do stali dodatków stopowych może mieć na celu: podwyższenie hartowności, uzyskanie określonych własności wytrzymałościowych, wywołanie pożądanych zmian strukturalnych, uzyskanie specjalnych własności chemicznych lub fizycznych, uproszczenie technologii i polepszenie efektów obróbki cieplnej.

3 Stale stopowe Do najczęściej stosowanych dodatków w stalach zalicza się: Nikiel - Obniża temperaturę przemiany austenitycznej oraz prędkość hartowania. W praktyce ułatwia to proces hartowania i zwiększa głębokość hartowania. Nikiel rozpuszczony w ferrycie umacnia go, znacznie podnosząc wytrzymałość na uderzenie. Dodatek niklu w ilości 0,5% do 4% dodaje się do stali do ulepszania ciepłego, a w ilościach 8% do 10% do stali kwasoodpornej. W symbolach stali jego dodatek oznacza się literą N. Chrom Powoduje rozdrobnienie ziarna. Podwyższa hartowność stali. Zwiększa jej wytrzymałość. Stosowany w stalach narzędziowych i specjalnych. W tych ostatnich nawet w ilościach do 30%. W symbolach stali jego dodatek oznacza się literą 'H'.

4 Stale stopowe Mangan Obniża temperaturę przemiany austenitycznej, a przy zawartości powyżej 15% stabilizuje i umożliwia uzyskanie struktury austenitycznej w normalnych temperaturach. Już przy zawartościach 0,8% do 1,4% znacznie podwyższa wytrzymałość na rozciąganie, uderzenie i ścieranie. W symbolach stali jego dodatek oznacza się literą G. Wolfram Zwiększa drobnoziarnistość stali, powiększa wytrzymałość, odporność na ścieranie. Duży dodatek wolframu 8% do 20% zwiększa odporność stali na odpuszczanie. W symbolach stali jego dodatek oznacza się literą W. Molibden Zwiększa hartowność stali. Podnosi wytrzymałość i zmniejsza kruchość i podnosi odporność na pełzanie. W symbolach stali jego dodatek oznacza się literą M.

5 Stale stopowe Wanad Zwiększa drobnoziarnistość stali i znacznie powiększa jej twardość. W symbolach stali jego dodatek oznacza się literą V (F). Kobalt Zwiększa drobnoziarnistość stali i znacznie powiększa jej twardość. W symbolach stali jego dodatek oznacza się literą K. Krzem Normalnie traktowany jako niepożądana domieszka, zwiększa kruchość stali. Staje się pożądanym składnikiem w stalach sprężynowych. Ze względu na fakt, że zmniejsza energetyczne straty prądowe w stali, dodaje się go w ilościach do 4% do stali transformatorowej. W symbolach stali jego dodatek oznacza się literą S. Tytan W symbolach stali jego dodatek oznacza się literą T.niobW symbolach stali jego dodatek oznacza się literami

6 Stale stopowe Glin (aluminium) W symbolach stali jego dodatek oznacza się literą A. Miedź Posiada podobne właściwości fizyczne jak czyste żelazo, lecz jest znacznie bardziej odporne na korozję. Miedź jest pożądanym dodatkiem i jej zawartość systematycznie wzrasta wraz z użyciem stali złomowej przy wytapianiu nowej stali. W symbolach stali jej dodatek oznacza się literami Cu.

7 Konsekwencją uszkodzeń radiacyjnych w podwyższonych temperatura jest zmiana rozkładu przestrzennego domieszek oraz innych elementów rozpuszczonych w metalu. Prowadzi to do zubożenia lub wzbogacenia w jeden ze składników stopu obszarów silnego zdefektowania ( powierzchnia, pory, granice międzyziarnowe itp. ). Powoduje to zmiany lokalnych właściwości materiałów, które mogą prowadzi do degradacji spójności strukturalnej. Proces taki nosi nazwę segregacji wzbudzonej radiacyjnie ( Radiation Induced Segregation RIS ).

8 Stal nierdzewna ( 300 o C, kilka dpa, rekator LWR ) zubożenie: Cr, Mo, Fe wzbogacenie: Ni, Si

9 Segregacja fazowa jest wynikiem sprzężenia pomiędzy dyfuzją defektów i składników stopu. Promieniowanie powoduję w przybliżeniu przypadkowy rozkład produkowanych defektów w materiale, które rekombinują w obszarach silnie zdefektowanych. Wpływający strumień defektów do zbiornika prowadzi do zubożenia lub wzbogacenia go w składniki stopu.

10 strumieniowi wpływających wakancji towarzyszy taki sam strumień wypływających atomów A i B gdy odpływa at. A jest większy niż wynika to ze stechiometrii stopu a równocześnie B mniejszy prowadzi to do zubożenia sieci w at. A. W przypadku at. międzywęzłowych gdy strumień wpływających at. B jest większy to prowadzi to do lokalnego wzrostu ich koncentracji.

11 Stopy dwuskładnikowe o koncentracji składnika rozpuszczonego powyżej kilku procent. d d d d Av Bv Ai Bi E exp E exp Bv m Bi m E kt E kt Av m Ai m d d Ai Bi d d Av Bv obszar zostanie wzbogacony w składnik A ( preferencyjny transport składnika A w wyniku dyfuzji jonów międzywęzłowych przewyższa jego wakancyjny odpływ ). d częściowe znormalizowane współczynniki dyfuzji E m energia migracji

12 Stop B 25% A (B=Ni, A=Cu): E E Av m Bv m 0.77eV 1.28eV E E Ai m Ai m 0.10eV 0.15eV d d Av Bv d d Ai Bi 0 Więcej at. A zostaje przetransportowanych przez wakancje a niżeli dopłynie jako międzywęzłowe. Obszar zostaje zubożony w A. Profil koncentracji składnika A w zależności od czasu naświetlania w 500 o C.

13 Wiązanie jonów międzywęzłowych Jeżeli atomy rozpuszczone w stopie są mniejsze od atomów osnowy wówczas atom taki może trwale przyłączyć jon międzywęzłowy tworząc kompleksy. E E Stop B - 5% A (B=Ni, A=Si) Av m Ai m E Bv m 0.9eV 1.28eV E Bi m 0.15eV E Ai b 1.0eV Dużo mniejszy jon Si łączy się z z międzywęzłowym Si. Powoduje to wzmocnienie segregacji d d Av Bv d d Ai Bi Ai Ai Bi E b Em Em 1 exp kt 0 Rozpuszczony znacznie mniejszy at. Si gromadzą się na powierzchni

14 Bardzo silne wzbogacenie powierzchni przez Si. Granica rozpuszczalności Si w Ni wynosi ok. 10 % at. wzbogacenie obszaru powyżej tego limitu prowadzi do powstawania nowej fazy Ni 3 Si. RIS może prowadzić do wytrąceń nowych faz lub stabilizacji już istniejących.

15 Wpływ wielkości jonów Różnice w wielkości pomiędzy rozpuszczonymi atomami odgrywają istotną rolę w wielkości i kierunku segregacji. W celu redukcji energii naprężeń zmagazynowanych w sieci krystalicznej mniejsze rozpuszczone atomy podstawieniowe będą raczej wymieniać się z atomami osnowy w pozycjach międzywęzłowych. Większe natomiast będą miały tendencję do pozostania lub powrotu na pozycje podstawieniowe ( prawidłowe pozycje krystalograficzne ). Różnice w wielkości pomiędzy atomami rozpuszczonymi a rozpuszczalnikiem będą powodowały powstawanie dysproporcji pomiędzy nimi i powstawanie znacznych różnic w składzie chemicznym w obszarach silnie zdefektowanych. Mniejsze atomy gromadzą się w pobliżu obszarów silnie zdefektowanych zubożając te obszary w atomy o większym rozmiarze.

16

17 Wpływ temperatury: wysokie temperatury - duża koncentracja wakancji termicznych prowadzi do szybkiej dyfuzji składników stopu i szybkiej rekombinacji defektów. Powoduje to zmniejszenie ilości defektów docierających do obszarów silnie zdefektowanych powodując ograniczenie segregacji. niskie temperatury - mobilność wakancji jest bardzo niska, nie docierają do obszarów zdefektowanych ograniczając segregację. temperatury pośrednie rekombinacja defektów niewielka, szybka ich migracja w kierunku obszarów silnie zdefektowanych znaczna segregacja.

18

19 Wpływ dawki Zmniejszenie dawki przesuwa temperaturową zależność RIS w kierunku niższych temperatur. Niższa dawka i niższa temperatura mniejsza generacja defektów, mniejsza rekombinacja co prowadzi do zwiększenia wpływu zbiornika, mniejsze prawdopodobieństwo rekombinacji. Niższa dawka i wyższa temperatura mniejszy wpływ uszkodzeń, które zostają szybciej wygrzane.

20 Stopy wieloskładnikowe: C M j C j V - determinanta, funkcja dyfuzyjności i gradientu wakancji

21 Układ Fe Cr Ni Cr składnik szybko dyfundujący, Ni wolno dyfundujący, Fe pośredni Gdy zawartość Ni jest wysoka w stosunku do Cr wzbogacenie powierzchni przez Ni nie może być w pełni skompensowane przez zubożenie tylko w Cr, ale również w Fe. Gdy zwartość Cr jest wysoka w stosunku do Ni obserwuje się występowanie wzbogacenia przez Fe.

22 Stal austenityczna Cr zawsze obserwuje się zubożenie obszarów międzyziarnowych. Cr tworzy warstwę pasywacyjną Cr 2 O na powierzchni. Jego zubożenie prowadzi do zwiększenia zjawiska korozji międzyziarnowej. Obserwuje się znaczne zwiększenie koncentracji Si na granicach międzyziarnowych. Si rozpuszcza się w wodzie w wysokich temperaturach, co prowadzi do wzmożonej penetracji granic międzyziarnowych przez wodę a to przyczynia się do przyspieszenia ich korozji.

23

24 Stale ferrytyczne Wzrost koncentracji P, który ziemia się znacznie w zależności od rodzaju stali. Jest to wynikiem współzawodnictwa z innymi domieszkami, a zwłaszcza z C. Segregacja P jest tym silniejsza im mniejsza zawartość C.

25 Stale ferrytyczne W przypadku stali ferrytycznych bogatych w Cr zachowanie chromu na powierzchniach jest szczególnie ważne, ze względu na potencjalne formowanie kruchych faz bogatych w Cr. W przeciwieństwie do stali austenitycznych Cr jest domieszką o mniejszym rozmiarze, co prowadzi do wzbogacenia granic międzyziarnowych w Cr. Wzbogacenie już o 5 % mass powierzchni prowadzi do formowania faz bogatych w Cr. Prowadzi to do pękania granic międzyziarnowych.

26

27 Atomic maps of various solute atoms in neutron-irradiated 304 stainless steel.

28

29

30 Jony międzywęzłowe Klastrowanie defektów

31 Klastrowanie defektów

32 Klastrowanie defektów

33 Klastrowanie defektów

34 Klastrowanie defektów

35 Klastrowanie defektów

36 Klastrowanie defektów

37