Эксплуатационные дефекты. Часть 6. Радиационные повреждения

При воздействии ионизирующих излучений (рентгеновское, α, β, γ, протонное, нейтронное) на конструкционные материалы последние получают определенные повреждения, определяемые количеством энергии, поглощенной материалом.

         К числу таких радиационных повреждений относятся: вакансии, внедренные атомы, примесные атомы, термические пики, ионизационные эффекты.

         Вакансия представляет собой узел решетки, в котором в результате взаимодействия с излучением отсутствует атом. Образуются в твердых телах при столкновении быстрых нейронов, осколков деления ядер и других быстрых частиц с атомами решетки.

Схема вакансии

         Внедрившиеся в междоузлия атомы (межузельные атомы) – атомы, сместившиеся из своих устойчивых положений в решетке.

Схема внедрившегося в междоузлие атома

         Примесные атомы образуются в результате ядерных реакций, протекающих при захвате нейронов ядром атома (радиационное легирование). Внедряясь в решетку облучаемого вещества, они могут значительно изменять его свойства.

Схема примесного атома

         Термические пики обусловлены колебаниями узлов решетки вдоль пути движения быстрых либо заряженных частиц, выбитых из своего места атомов решётки. 

Схема колебания узлов решетки, вследствие которых формируются термические пики

         Ионизационные эффекты наблюдаются, когда ионизирующие излучения, проходя через вещество, вызывают в нем ионизацию, следствием чего является разрыв химических связей и образование радикалов.

         Облучение металлов увеличивает подвижность атомов и ускоряет фазовые и структурные превращения, ограничивает число активных полос скольжения, увеличивает число дислокаций, движущихся через полосы скольжения, что в конечном итоге приводит к упрочнению и охрупчиванию металлов.

Радиационное охрупчивание. Микротрещины на границах зерен облученного никель-молибденового сплава после механических испытаний на одноосное растяжение

         Нейтроны могут захватываться атомными ядрами с последующим превращением этих ядер в новые (примесные) элементы. Непрерывное образование новых, химически нежелательных, атомов в сложных сплавах при облучении может оказать значительное влияние как на механические свойства, так и на металлургическую стабильность сплавов. Однако для большинства конструкционных материалов количество примеси, внесенной таким образом, меньше уже присутствующей.

         Ядерные превращения становятся металлургически важными, когда в результате образуются такие продукты, как гелий и другие благородные газы, не растворяющиеся в решетке.

         Если произойдет пресыщение кристаллической решетки этими атомами в результате продолжительного облучения, они могут начать взаимодействовать с соседними мигрирующими вакансиями или накапливаться с образованием газовых пузырей на границе зерен.

         Образующийся при облучении водород способствует охрупчиванию металлов.

         Слияние вакансий способствует формированию пустот (радиационная пористость) и вызывает заметное распухание и коробление металла.

         Физические и химические неоднородности (различного типа дефекты, примесные атомы), возникающие при облучении металлов, существенным образом изменяют их свойства (возрастает удельное электрическое сопротивление, повышается склонность к коррозионному растрескиванию, металл охрупчивается).

                                     а)                                                        б)

Поверхности разрушения образцов из стали Х18Н10Т, подвергшиеся радиационному излучению. а) температура испытаний 20°С; б) температура испытаний 495°С.

         Радиационная стойкость материала – способность материала сохранять исходный химический состав, структуру и свойства в процессе облучения и/или после воздействия ионизирующих излучений. Количество характеризуется максимальным значением поглощенной дозы (Грей/Гр), при которой материал становится непригодным для конкретных условий применения.

         Радиационная стойкость конструкционной стали имеет значение около  Гр.

         Предварительная радиационно-термическая обработка, облучение и отжиг, позволяет увеличить радиационную стойкость в 10…15 раз.

         При исследовании металлов на радиационную стойкость наиболее чувствительным является измерение электросопротивления, поскольку электрическое сопротивление возрастает за счет образования радиационных дефектов.