Файл: Герасимов В.В. Материалы ядерной техники учеб. пособие.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.04.2024
Просмотров: 175
Скачиваний: 1
§ 9.1. Перлитные стали |
293 |
Т а б л и ц а |
9.4 |
Изменение критической температуры хрупкости (Гкрпт) и Ударной вязкости при температуре выше (Ткрцт) в зависимости от интегрального потока нейтронов для низколегированной стали SA302B
Интегральный |
поток, |
ІО18 |
Т |
°С |
^ к р и т » г Р а д |
ян, |
к Г м / с |
м 1 |
Дан- % |
н е й т р о н /е л 2 |
( £ > 1 |
ЛІэт) |
1крнт» |
^ |
|
|
|
||
|
|
|
25 |
15 |
|
8,27 |
|
|
|
|
1 |
|
40 |
|
8,27 |
|
0 |
||
4 |
|
50 |
25 |
|
7,73 |
|
7,0 |
||
7 |
|
105 |
80 |
|
6,90 |
|
17,0 |
||
17 |
|
155 |
130 |
|
5,93 |
|
30,0 |
на 120—130°, а величина ударной вязкости при температуре выше критической снижается на 30—50%. У некоторых более чувствительных к облучению сталей и их сварных соединений прирост критической температуры хрупкости в результате облучения в интегральном потоке (1-^3) -ІО20 нейтрон/см2 достигает значений 220—250°. Связь между величиной прироста критической температуры хрупкости и интегральным потоком тепловых нейтронов выражается следующей полуэмпирической зависимостью:
Т= 1 7 5ФѴа
где Ф—интегральный поток тепловых нейтронов, ІО18 нейтрон/см2. Следует отметить, что плотность нейтронного потока, а следо вательно, и время достижения заданного интегрального потока не оказывают заметного влияния на величину изменений меха
нических свойств стали.
Механические характеристики облученного материала зави сят от температуры, при которой облучаются стали. Облучение нейтронами при температуре 130—140° низколегированной ста ли приводит к более сильному охрупчиванию, чем облучение при 50—60°. Это обусловлено, вероятно, либо движением и коагуляиией точечных дефектов, либо выделением дисперсных карбидов и нитридов. Начиная с температуры 230—260°, эффект облуче ния уменьшается, что обусловлено подвижностью и отжигом образовавшихся дефектов. При более высокой температуре ве личина изменения свойств стали тем меньше, чем выше темпе ратура облучения. Облучение стали при 415° ведет лишь к не большому изменению свойств. В результате облучения при тем пературе 450—500° даже довольно большими интегральными по токами свойства низкоуглеродистых и низколегированных ста лей практически не изменяются.
294 Г л . 9. Материалы ядерны х установок
Изменение свойств низкоуглеродистых и низколегированных сталей в процессе облучения нейтронами обусловлено образова нием комплексов дефектов. Эти дефекты не являются стабиль ными и при повышенной температуре отжигаются. В случае об лучения при температуре ниже 200—220° отжиг дефектов, а сле довательно, и возврат механических свойств облученных сталей начинается при температуре ~250° и завершается полностью при 450—470°. Поэтому облучение при температуре 450° даже большими интегральными потоками не приводит к заметному изменению механических характеристик низкоуглеродистых и низколегированных сталей.
Чувствительность сталей к облучению зависит ог их струк туры. Стали с мелкозернистой структурой менее чувствительны, чем средне- и крупнозернистые. При одинаковом размере зерна изменение свойств стали при облучении зависит от формы кар бидной фазы и микроструктуры до облучения. В случае пример но одинакового количества карбидной фазы наименьшее измене ние свойств наблюдается у стали с зернистым цементитом, по лученным при высокотемпературном отпуске закаленной стали. Влияет на свойства облученной стали также форма и распреде ление участков перлитной фазы. При одинаковом размере зерен феррита сталь с равномерно распределенными участками перли та менее чувствительна к облучению, чем сталь с неравномерно распределенными крупными участками перлита. При одинако вых условиях облучения величина изменения критической тем пературы хрупкости у различных плавок даже одной марки стали значительно различается.
Коррозионная стойкость. При решении вопроса об использо вании перлитных сталей в реакторостроении, особенно в кипя щих реакторах, в первую очередь необходимо принимать во внимание их коррозионную стойкость. Более низкая по сравне нию с нержавеющими сталями коррозионная стойкость перлит ных сталей вызывает опасение с точки зрения загрязнения вод ного теплоносителя продуктами коррозии, разрушения обору дования вследствие местной коррозии или охрупчивания при наводороживании.
Кинетика электродных процессов. Нормальный потенциал реакции ионизации железа
Fe -*■Fe2+ + 2е
равен —0,44 в и не зависит от pH среды. С учетом реальной концентрации двухвалентного иона железа в среде, ограничен ной произведением растворимости гидрата окиси двухвалентно го железа, потенциал этой реакции в нейтральной среде равен —0,52 в. В нейтральных средах в качестве катодных реакций при коррозии железа, низкоуглеродистых и низколегированных
4
§ 9.1. Перлитные стали |
295 |
сталей термодинамически возможно протекание процессов иони зации кислорода и разряда иона водорода. В нейтральной среде нормальные потенциалы этих катодных реакций равны соответ ственно + 0,8 и —0,42 в. В деаэрированных средах коррозия железа и перлитных сталей идет с водородной деполяризацией. В средах, содержащих кислород, например, в воде, насыщенной воздухом, коррозия железа протекает и с кислородной и с водо родной деполяризацией. В нейтральных насыщенных воздухом средах концентрация ионов водорода мала по сравнению с кон центрацией растворенного кислорода. Стационарный потенциал железа в воде близок к равновесному потенциалу перехода же леза в среду с образованием двухвалентных ионов. Следователь но, и катодные реакции протекают при этом потенциале.
В общем скорость катодного процесса тем выше, чем более отрицателен потенциал, при котором она протекает, по сравне нию с равновесным ее потенциалом. Учитывая концентрации ионов водорода и кислорода, а также потенциал, при котором протекают рассматриваемые катодные процессы, можно заклю чить, что в нейтральной среде коррозия железа и низколегиро ванных сталей будет протекать преимущественно с кислородной деполяризацией. При снижении pH среды концентрация ионов водорода возрастает, и в кислых средах коррозия железа и пер литных сталей протекает преимущественно с водородной депо ляризацией. Естественно, что в щелочных средах, где концент рация иона водорода меньше, чем в нейтральных, коррозия же леза протекает в основном с кислородной деполяризацией.
Из данных, представленных на рис. 9.4, следует, что в нейт ральной насыщенной воздухом среде коррозия железа проте кает с кислородной деполяризацией при диффузионном ограни чении.
Рассмотрим анодные процессы на железе и перлитной стали в деаэрированной нейтральной среЦе. При потенциалах более отрицательных, чем ср[ (см. рис. 9.4), скорость анодного про цесса не зависит от потенциала и крайне мала. Учитывая эти обстоятельства, можно предположить, что в рассматриваемых условиях. железо находится в псевдопассивном состоянии. В этой области скорость анодного процесса заторможена вслед ствие образования на поверхности стали окисной пленки, со стоящей из магнетита. Следует заметить, что деаэрированная вода не полностью освобождена от кислорода. Содержание по
следнего при хорошей деаэрации воды |
составляет 0,01— |
|
0,025 |
мг/л. |
при потенциалах |
В |
среде с таким содержанием кислорода |
меньше —0,5 в термодинамически возможно протекание анод ной реакции
Fe + Н20 + 02 Fe304.
296 |
Г л . 9. Материалы ядерны х установок |
Равновесный потенциал этой реакции при концентрации кисло рода 0,02 мг/л равен —4,28 в. В нейтральной среде, полностью освобожденной от кислорода, образование магнетита термоди-
Рис. 9.4. Анодная и катодная поляризация перлитной
стали |
в нейтральной среде (Ін. |
раствор нитрата нат |
||||||
/ — анодная кривая |
в |
рия): |
среде; 2 — катодная кри |
|||||
деаэрированной |
||||||||
вая |
в |
деаэрированной |
среде; |
3 |
— катодная кривая в |
насыщен |
||
|
|
ной воздухом среде. Пояснения в тексте. |
|
|||||
намически |
возможно |
лишь |
при |
потенциале |
положительнее |
—0,5 в, при котором становится термодинамически возможным протекание анодного процесса растворения металла с образо
§ 9.1. Перлитные стали |
29Т |
ванием двухвалентного железа. Псевдопассивность при этом нарушается и железо переходит в активное состояние.
При потенциале фз достигается максимальный ток растворе ния железа в активном состоянии. С дальнейшим увеличением потенциала начинается пасси вация железа, заканчивающая ся при достижении фляде-по- тенциала ффЛ. Пассивация же леза при низкой температуре связывается с образованием защитных слоев, как адсорб ционных, так и фазовых. Фа зовый защитный пассивирую
щий слой содержит y-Fe2 0 3. Количество вещества в пассив ной пленке, определенное по количеству электричества, рас ходуемого на ее восстановле ние, равно 0,01 к/см2. Такое количество отвечает адсорбции на железе одного слоя атомов
кислорода |
с радиусом |
0,7 А, |
|
|
|
|||
на котором |
хемисорбирован |
|
|
|
||||
слой молекул кислорода с ра |
|
|
|
|||||
диусом |
1,2 Â. При |
этом счи |
|
|
|
|||
тают, |
что |
истинная |
поверх |
Рис. 9.5. Анодная (/) и катодная |
(2) |
|||
ность в 4 |
раза |
больше |
види |
поляризация малоуглеродистой стали |
||||
мой. Принимая |
данную |
схему, |
в деаэрированном |
10~4н. растворе |
||||
NaN03 при температуре 300° С. |
|
|||||||
предполагают, |
что |
пассивация |
|
|||||
|
|
|
||||||
на железе начинается при протекании следующей реакции: |
|
|||||||
ЗН20 -1- Fe |
поверхность |
[0.2 + О] |
(адсорбир. на |
Fe) -(- 6Н+ + |
бе- |
Вычисленный потенциал этой реакции 0,56 в близок к измерен ному значению"фляде-потенциала железа 0,58 в. Величина фля- де-потенциала железа зависит от pH среды:
ФфЛ — 0,58 — 0,059 pH.
При потенциале положительнее ф4 протекают анодные процес сы выделения кислорода и растворения железа в области перепассивации с образованием ионов высшей валентности. Пргь комнатной температуре в деаэрированной воде высокой чистоты (с удельной электропроводностью 10~7—ІО-8 ом~]-см~1) стацио нарный потенциал более отрицателен, чем фі (см. рис. 9.4), т. е- отвечает области псевдопассивиости. Скорость коррозии в этих, условиях мала.
298 |
Г л. 9. Материалы ядерны х установок |
В деаэрированной среде при температуре до 300° стацио нарный потенциал перлитной стали отвечает пассивной области (рис. 9.5). На поверхности перлитной стали образуется защит ная окисная пленка магнетита (рис. 9.6). Коррозия перлитной стали в рассматриваемых условиях равномерная и замедляется
во времени. Так, при температуре 300° в деаэрированной воде скорость коррозии стали 20 через 50 и 7000 ч испытаний состав ляет соответственно 1,6 и 0,3 г/(м2-сутки) . Движение воды не сколько увеличивает скорость коррозии перлитной стали. С уве личением температуры скорость коррозии перлитной стали в деаэрированной воде возрастает.
Влияние среды. Изменение pH среды может существенно влиять на кинетику анодного процесса и соответственно на ско
рость |
коррозии перлитных сталей. |
Однако в деаэрированной |
||||
среде |
при |
комнатной |
температуре |
изменение |
pH |
в преде |
лах 1—9 не |
изменяет |
потенциал, |
отвечающий |
точке |
фі (см. |
рис. 9.4), и сталь при стационарном потенциале находится в пассивной области. При комнатной темпёратуре в насыщенной воздухом воде при значениях pH < 11,3 перлитные стали при стационарном потенциале находятся в активном состоянии, а при pH > 11,3 — в пассивном. При рН>11,3 величина фляде-
§ 9.1. Перлитные стали |
299 |
потенциала более отрицательна, чем стационарный потенциал. Изменение величины pH в области значений 5—10 не влияет на скорость коррозии перлитной стали в насыщенной воздухом воде, так как коррозия в этих условиях идет преимущественно с кислородной деполяризацией при диффузионном контроле. В ки-
Рис. 9.7. Влияние pH среды на скорость коррозии перлитной стали в деаэрированной воде при темпе ратуре 300° С.
слой среде снижение величины pH приводит к ускорению корро зии за счет интенсификации катодного процесса разряда ионов водорода.
При 300° с увеличением pH от 5 до 8 скорость коррозии пер литной стали практически не меняется. С дальнейшим увеличе нием pH среды скорость коррозии проходит через минимум (рис. 9.7), а с увеличением pH выше 11 скорость коррозии пер литных сталей возрастает.
При температуре 250—300° 1,25—2,5 н. растворы гидро окиси натрия интенсивно взаимодействуют с перлитной сталью с выделением водорода. Реакция эта идет в деаэрированной сре-