Аустенитные стали

 

 

 

 

 

Реферат по теме:

Аустенитные стали

 

 

 

 

 

 

Выполнила

Студентка 5 курса 4 группы

Анисимова Дарья Викторовна

 

 

 

 

 

 

 

 

БГУ 2015

 

 

 

Содержание

 

Понятие аустенитной стали………………………………………..3

Аустенит…………………………………………………………….4

Жаропрочные коррозионно-стойких стали аустенитного класса………………..........................................................................6

Влияние легирования на структуру и свойства аустенитных сталей….............................................................................................9

Коррозионная стойкость аустенитных сталей…………………...11

Применение аустенитных коррозионно-стойких сплавов в энергетических ЯЭУ…………………………………………………………………17

Структурные изменения в аустенитных сталях после облучения нейтронами…………………………………………………………26

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Понятие аустенитной стали

Выше определённого содержания марганца, никеля или некоторых других элементов γ-состояние существует как стабильное от комнатной температуры до температуры плавления. Такие высоколегированные железные сплавы называют аустенитными сталями. В отличие от других железных сплавов аустенитные стали (и ферритные) не имеют превращений при нагревании и охлаждении. Поэтому термическую обработку для упрочнения аустенитных сталей не применяют. Т.е. структура аустенита получается при высоком содержании в стали легирующего элемента, расширяющего область γ-фазы (Ni, Mn и др.), в этом случае сталь называют аустенитной или сталью аустенитного класса.

В аустенитных сталях хром обеспечивает жаростойкость и коррозионную стойкость, никель стабилизирует аустенитную структуру и повышает жаропрочность, пластичность и технологичность, в том числе - при высоких и низких температурах, что объясняет широкое применение аустенитных сталей, как конструкционных материалов для самых разных условий (агрессивные среды, высокие температуры и пр.).

Коррозионностойкие аустенитные стали

Коррозионностойкие (нержавеющие) аустенитные стали содержат 12-18% Cr, 8-30% Ni и 0,02-0,25% C.

Аустенитные хромоникелевые стали были разработаны относительно недавно, в 1910 году немецким инженером Штраусом. Аустенитные хромоникелевые стали имеют более высокую коррозионную стойкость по сравнению с хромистыми сталями и в отличие от хромистых сталей сохраняют её при нагреве. Содержание углерода в коррозионностойких сталях ограничено.

Жаростойкие и жаропрочные аустенитные стали

Аустенитные стали c ГЦК решёткой имеют значительно более высокую жаропрочность по сравнению со сталями с ОЦК решёткой.

Жаростойкие стали аустенитного класса, применяемые для изготовления деталей печного оборудования, характеризуются не только высокой жаростойкостью (окалиностойкостью), но и высокой жаропрочностью. К жаростойким аустенитным сталям относятся 20Х23Н18, 20Х25Н20С2, имеющие окалиностойкость до 1100°C.

Жаропрочные аустенитные стали. Из жаропрочных аустенитных сталей изготавливают роторы, диски, лопатки газовых турбин, клапаны дизельных двигателей, работающие при температурах 600-700°:C. Хромоникелевые аустенитные стали для увеличения жаропрочности дополнительно легируют вольфрамом, молибденом, ванадием, ниобием, бором и другими элементами. К жаропрочным сталям аустенитного класса относятся стали 09Х14Н16Б, 09Х14Н19В2БР, 45Х14Н14В2М.

Хладостойкие аустенитные стали

Хромоникелевые аустенитные стали. Широкое применение в технике низких температур (криогенной техники) получили хромоникелевые аустенитные стали, содержащие 17-25% Cr и 8-25% Ni. Хромоникелевые аустенитные стали сохраняют высокую пластичность и вязкость в широком температурном диапазоне, а также сочетают коррозионную стойкость с хорошими технологическими свойствами.

К недостаткам этих аустенитных сталей относится низкая прочность при комнатной температуре, особенно по пределу текучести, а также сравнительно высокая стоимость, обусловленная высоким содержанием дорогого никеля.

К хладостойким аустенитным сталям также относятся хромомарганцевые стали (аустенитные стали, в которых никель полностью или частично заменён марганцем); стабильные аустенитные хромоникельмарганцевые стали с азотом (аустенитные стали, одновременно легированные хромом, никелем и марганцем) и метастабильные аустенитные стали.

 

 

 

Рис.1. Классификация сталей

 

 

 

 

 

 

 

2.Аустенит

 

 

Рис. 2. Равновесная диаграмма состояния системы Fe-С (Fe-Fe3C)

 

Аустенит − твердый раствор углерода (и других элементов) в γ-Fe (обозначают γ или А) (рис. 2). Предельная растворимость углерода в γ-Fe 2,14 % (см. рис. 3, точка Е). В элементарной ГЦК решетке γ-Fe имеются восемь тетраэдрических пустот размером  r т.п.≈0,22r Fe,  расположенных  на  пространственных  диагоналях  куба  на  расстоянии  одной  четверти диагонали от вершины ячейки (рис. 4, а), и четыре октаэдрические пустоты  [одна − в центре куба, три(1/4×12) – посередине ребер] (рис. 4, б) размером r о.п≈0,41rFe. Очевидно, что по объему вписываемых шаров и геометрии образования октаэдрические пустоты в центре и на ребрах куба эквиваленты. Следовательно, на каждый атом железа в ГЦК решетке (в элементарной ячейке четыре атома Fe) приходятся две тетраэдрические и одна октаэдрическая пустоты. Диаметр вписываемых в решетку γ-Fe октаэдрических пустот (r т.п.≈0,028 нм, rо.п. ≈0,052 нм) значительно превышает  диаметры  пустот  в  α-Fe. Это и предопределило большую растворимость углерода в γ-Fe по сравнению с α-Fe (см. рис. 2).

Рис.3.Аустенит  Рис. 4. Положение октаэдрических (а) и тетраэдрических(б) пустот в ГЦК решетке (○ − пустота; ● − атом металла)

 

 

 

 

 

3. Жаропрочные коррозионно-стойкие стали аустенитного класса

Введение в сталь достаточного количества элементов, расширяющих γ-область, переводит ее в класс аустенитных.  В  зависимости  от  состава  основы  аустенитные  коррозионно-стойкие стали бывают хромоникелевые, хромомарганцевые и хромомарганцевоникелевые.

Сплавы систем Fe–Cr–Ni и Fe–Cr–Мn Система Fe–Cr–Ni  была  предметом  многих  исследований.  В сплавах этой системы существуют обширные области γ-фазы, устойчивой в широком интервале температуры от отрицательной до температуры плавления. Сплавы со структурой  γ-фазы  обладают  ценными  физико-химическими и механическими свойствами: высоким сопротивлением электрохимической и химической коррозии, комплексом механических  свойств  при  повышенной температуре (жаропрочностью), хорошими  технологическими  свойствами (деформируемостью, свариваемостью) и др. Особенности влияния Cr и Ni (или Мn) на структуру и превращения в Fe позволяют создавать стали и сплавы различного класса. Стали, содержащие более 12–13 % Cr, становятся  коррозионно-стойкими, а введение достаточного количества Ni (или Мn) делает их аустенитными.

Представления об условиях образования фаз и взаимном влиянии Cr и Ni на структуру стали дает тройная диаграмма состояния системы Fe–Cr–Ni. На  рис.5  приведен  изотермический  ее разрез при 650 °С(сплошные линии). Однофазные области и α-, и γ-фаз разделены двухфазными (α+ γ; α+ σ; γ+ σ) и трехфазными (α+ γ+ σ) областями. При низком содержании Ni (< 8÷9 %) в структуре  сплава,  кроме  γ-фазы,  появляется  α-фаза;  увеличение концентрации Cr более20 % может вызвать появление твердой и хрупкой σ-фазы(НV = 5500÷7500 МПа). И в том, и в другом случае снижаются жаропрочные характеристики– длительная прочность, предел ползучести, релаксационная стойкость. Одновременно в той или иной степени ухудшаются пластические свойства и ударная вязкость, происходит  охрупчивание,  возрастает  анизотропия свойств в прокатанном состоянии. Присутствие α-фазы(а также σ-фазы) понижает стойкость аустенитных сталей при электрохимической коррозии и окислении.

Положение двухфазной (α+ γ)-области(и других фазовых областей) зависит от температуры. При температурах ниже 650 °С область (α+ γ) уходит вправо и при20 °С соответствует области, ограниченной пунктирными линиями е–с и f–g, а в области темпе-ратур выше650 °С она смещается влево, и ее крайнее положение при 1100 °С ограничено пунктирными линиями е–d и f–а. Соответствующие изменения происходят и с другими областями. Высокотемпературный  разрез системы Fe–Cr–Ni  показан  на рис. 6. При понижении температуры сужается γ-область и расширяется α-область, а с повышением температуры– наоборот. Отсюда следует вывод о том, что сплавы, лежащие ниже линии аbс, имеют полную (γ ' α)-перекристаллизацию со структурой феррита при 20 °С; между линиями аbс и dеfg заключены полуферритные (или  полуаустенитные)  сплавы  с  частичным(γ  '  α)-превращением; правее линии fg расположена область аустенитных спла

 

.

Рис. 5. Изотермический разрез при 650 °С (сплошные линии) диаграммы

состояния системы Fe−Сг−Ni (железный угол)

 

 

 

 

Рис. 6. Изотермический разрез системы Fe−Cr−Ni при 1300 °С

 

Таким  образом,  для  обеспечения  однофазной  аустенитной структуры в широком интервале температуры (до комнатной и ниже) необходим определенный состав тройного сплава. Никель и хром существенно понижают температуры мартенситного превращения. Практически однофазная γ-область фиксируется при содержании не менее8–9 % Ni для содержания от 16 до 22 % Cr (наиболее  широко  известна  аустенитная  сталь 1Х18Н9Т, содержащая около18 % Cr и9 % Ni – белый кружок на рис. 5). Для стабилизации аустенитной структуры и снижения возможности образования α-фазы в настоящее время содержание Ni в чисто хромоникелевых сталях повышено в среднем с 8 до9–10 % (стали типа Х18Н9, 0Х18Н10), а в современных реакторных сталях– до 16 % [07Х16Н15М3БР(ЭП-172), 06Х16Н15М2Г2ТФР(ЧС-68)].

Никель, а также азот и марганец, будучи аустенитостабилизирующими элементами, способствуют расширению однофазной аустенитной области и снижают склонность стали к выде-лению α-фазы.

В системе Fe–Cr–Mn аустенитную структуру можно получить лишь при содержании более 15 % Mn и менее15 % Cr (рис.8).

 Рис. 8. Структурная диаграмма системы Fe-Cr-Mn после закалки от 1100 °С

 

При  других  соотношениях Mn и Cr структура  стали  получается двухфазной(А+ Ф, А+ М, А+ Ф+ σ), поэтому при замене Ni марганцем приходится или понижать содержание Cr, или заменять Ni частично, или проводить дополнительное легирование сильным аустенитостабилизирующим  элементом(например,  азотом).  Кроме того, более низкая эффективность Mn как стабилизатора аустенита по сравнению с Ni и его высокий коэффициент диффузии предопределяют повышенную тенденцию к нестабильности аустенита сталей системы Fe–Cr–Mn за счет превращений с образованием ферритных и мартенситных фаз при термических отжигах и старении.

Помимо указанных факторов система Fe–Cr–Mn  по сравнению с Fe–Cr–N iимеет более низкую энергию дефектов упаковки и повышенную склонность к механическому двойникованию, что увеличивает в этих материалах тенденцию к вводимым при деформациях ϒ→α и ϒ→ε мартенситным превращениям.

 

 

 

4.Влияние легирования на структуру и свойства аустенитных сталей

В настоящее время разработано большое количество различных марок сталей, многие из которых  содержат,  кроме Cr и  Ni, до трех и более легирующих элементов (табл. 1).

Таблица 1.

Молибден и вольфрам являются основными легирующими элементами, вводимыми в аустенитную сталь для повышения жаропрочности путем легирования твердого раствора (табл. 1). Эффективность влияния их обусловлена главным образом увеличением прочности межатомных связей в решетке γ-твердого раствора. Молибден повышает устойчивость против коррозии в морской воде и кислотах.

Ниобий, титан и ванадий также вводят для увеличения жаропрочности сталей (см. табл. 1), однако действие их основано не только в упрочнении твердого раствора, но и создании ими высо-кодисперсных упрочняющих фаз разного типа (карбиды, карбонитриды, интерметаллиды и др.). Кроме того, легирование этими элементами широко используют для снижения склонности аустенитных сталей к межкристаллитной коррозии путем связывания углерода в специальные (безхромистые) карбиды.

Бор и иттрий вводят в жаропрочные стали в малых количествах для  изменения  состояния  границ  зерен.  Являясь поверхностно-активными элементами, В и Y (и их соединения с другими элементами) сильно замедляют диффузию на границах зерен, увеличивают жаропрочность.

Редкоземельные  элементы(РЗМ)  значительно  улучшают  деформируемость аустенитных сталей при высокой температуре, повышают  жаропрочность. Чаще всего в  качестве  присадок  РЗМ применяют комплексный концентрат под названием мишметалл, основной составляющей которого является церий. Кроме Се, мишметалл содержит La, Nd, Sm, Pr, Pm. Благодаря высокой химической активности эти  элементы  нейтрализуют  действие  вредных примесей: О, Н, S и др. Считается, что оптимальное количество РЗМ составляет от 0,9 до 2,5 кг/т выплавляемой стали.

Алюминий вводят в  аустенитные  стали  в  сочетании  с Ti (см. табл. 1) для увеличения жаропрочности путем создания высокоэффективной упрочняющей γ'-фазыNi3 (Ti ,Al).

Кремний не улучшает жаропрочность аустенитных сталей, тем не менее существует ряд сталей с высоким содержанием Si (до 3%), используемых в качестве жаростойких материалов (например, Х20Н14С2, Х15Н35С2 и др.).

Азот до 0,15–0,4 % используют для стабилизации аустенита и частичной замены никеля  в Cr–Mn–Ni-сталях(см.  табл. 1).

Наиболее сильно упрочняют γ-твердый раствор элементы в по типу замещения.  Аустенитообразующие элементы, образующие твердые растворы замещения, оказывают незначительное влияние на  упрочнение  твердого  раствора (рис. 7).

Рис. 7. Влияние атомного содержания легирующих элементов на упрочнение аустенита: 1 − элементы, образующие твердые растворы внедрения; 2 – ферритообразующие элементы, растворяющиеся по типу замещения; 3 – аустенитообразующие элементы, растворяющиеся по типу замещения

 

 

 

 

 

5.Коррозионная стойкость аустенитных сталей

Аустенитные коррозионно-стойкие стали успешно применяют в качестве оболочек твэлов, ТВС и других элементов активной зоныв реакторах на быстрых и тепловых нейтронах. Одна из причин широкого использования аустенитных сталей в реакторостроении −их достаточно высокая коррозионная стойкость в теплоносителях.

Коррозионная стойкость в воде и паре. Коррозионно-стойкие аустенитные стали обладают высоким сопротивлением коррозии в воде и паре при высокой температуре. С повышением температуры воды от100 до200 °С скорость коррозии стали1Х18Н9Т практически не изменяется (табл. 2), а повышение температуры от 200 до 300 °С увеличивает скорость коррозии почти в10 раз. Повышение температуры до значений, соответствующих сверхкритическому состоянию (от 300 до 400 °С), приводит к уменьшению скорости коррозии стали почти в 5 раз. Дальнейший нагрев увеличивает скорость коррозии.

Таблица 2.

 

 

Общая коррозия аустенитных сталей в дистиллированной воде при комнатной температуре протекает с кислородной деполяризацией. С ростом температуры возрастает скорость разряда ионов водорода, и при Т = 300÷400 °С в деаэрированной воде коррозия протекает с водородной деполяризацией. При наличии в воде кислорода  аустенитная  сталь  может  корродировать  с  кислородной деполяризацией и при высокой температуре.

Содержание кислорода − одна из важнейших характеристик воды, применяющейся в качестве теплоносителя в ядерных реакторах.  Кислород  оказывает  слабое  влияние  на  развитие  коррозии коррозионно-стойких  сталей,  однако  он  интенсифицирует  такие виды разрушения, как межкристаллитная коррозия и коррозионное растрескивание  под  напряжением(КРН). Кроме  того,  кислород способствует  увеличению  продуктов  коррозии.  Для  повышения надежности работы реакторных материалов в воде первого и второго контуров необходимо поддерживать концентрацию кислорода на низком уровне(0,01−0,02 мг/л).

Скорость  коррозии  аустенитных  сталей  в  насыщенном  паре практически равна скорости коррозии ее в воде при той же температуре.

В результате радиолиза окислительные свойства воды возрастают. Для нейтрализации вредного влияния кислорода и уменьшения продуктов коррозии целесообразно вводить водород, который, соединяясь с азотом, образует аммиак и тем самым повышает рН. С увеличением значения рН от до 11 скорость коррозии аустенитных сталей замедляется, а поступление в контур продуктов коррозии уменьшается до вполне допустимых пределов.

Скорость общей коррозии в воде в статических условиях при 280−350 °С составляет0,8−4 мкм/год, а в пароводяной смеси при наличии  кислорода  при  Т= 600 °С  и  р  = 3,5 МПа  она  равна 5−10 мкм/год. Стали этого класса при высокой температуре достаточно устойчивы и к эрозионному воздействию воды при скорости движения до10 м/с и пара при скорости до150 м/с. Хотя в промышленных установках под действием радиации и при циркуляции воды  и  пара  скорость  коррозии  несколько  повышается,  но  до Т= 600 °С аустенитные стали достаточно коррозионно-устойчивы.

Наличие в стали шлаковых включений, трещин, раковин, различных загрязнений и других неоднородностей может привести к развитию местной коррозии(язвенной, точечной или отдельными пятнами). Этот вид коррозионных повреждений особенно опасен для тонкостенных оболочек твэлов, так как образование отверстия в оболочке открывает доступ теплоносителя к ядерному топливу, что приводит к аварийному состоянию реактора. Различные неоднородности металла приводят к образованию микрогальванических коррозионных  пар,  следствием  которого  являются  местная  депассивация участков металла и их растравливание.

С увеличением концентрации ионов хлора в воде скорость коррозии(особенно местной коррозии) аустенитной стали возрастает, поскольку ионы хлора вызывают усиление процессов депассивации

поверхности металла(рис. 9) и уже при стационарном потенциале начинается растворение в области перепассивации.

 Рис. 9. Анодные кривые стали1Х18Н9Т в воде

с различным содержанием ионов хлора

 

 

 

 

С увеличением концентрации ионов хлора в растворе область пассивности сокращается, и при концентрации1000 мг/кг хлоридов металл переходит полностью в активное состояние. Поэтому допустимое количество хлоридов в реакторной воде не должно пре-вышать0,1 мг/кг.

Если в растворе присутствует значительное количество кисло-рода, то за счет увеличения скорости катодного процесса стацио-нарный потенциал смещается в положительную сторону, и область пассивации еще больше сокращается. При этом увеличивается в значительной  степени  скорость  растворения  металла  и  коррозия становится язвенной.

Легирующие элементы(Ti, Nb, Mo) оказывают незначительное влияние на скорость коррозии аустенитных сталей в воде критических параметров. Повышение содержания Ni до 20 % практически не отражается на коррозионной стойкости аустенитной стали.

Одним из опасных местных повреждений является щелевая коррозия, развивающаяся в зазорах и щелях между деталями(в шари-ко-подшипниках  циркуляционных  насосов,  воздуходувках,  элек-тромагнитных устройствах, в местах заклепок и др.). Щелевая коррозия появляется в результате действия коррозионного тока, воз-никающего при различной концентрации металлических ионов в электролите внутри щели и вне ее, а также при различной концентрации кислорода внутри щели аналогично добавкам водорода.

Межкристаллитная  коррозия.  Межкристаллитная  коррозия (МКК) − один из наиболее опасных видов местной коррозии аустенитных коррозионно-стойких сталей и сплавов. Проявляется она в том, что границы зерен металла подвергаются в воде, паре и различных электролитах избирательному разрушению и металл, часто без каких-либо видимых изменений, в течение короткого времени теряет прочность и пластичность.

Сущность  МКК  состоит  в  том, что выдержка этих сталей при Т= 450÷850 °С приводит к выпадению по границам зерен хромо-содержащих вторичных фаз – карбидов (карбонитридов), σ-фазы, интерметаллидов. Это приводит к обеднению приграничных областей хромом. С помощью радиоактивного изотопа Сr было показано, что ширина обедненной хромом зоны вдоль границ зерен хромоникелевой стали после закалки и старения в температурной области, в которой проявляется склонность к МКК, может достигать 1−2 мкм.

На первых этапах испытания в электролитах (растворах кислоти др.) разрушаются наиболее обедненные хромом участки. Например, было установлено, что после испытаний в течение24 ч растворились участки, содержащие 6−8 % Сr (всего в стали содержа-лось18 % Сr). С увеличением продолжительности испытания разрушаются и более богатые хромом зоны вдоль границ зерен (после 48 ч испытания растворялись участки, содержащие до12−15 % Сr).

Таким образом, локальные объемы γ-твердого раствора по границам зерен, обедненные хромом, перестают быть стойкими к электрохимической коррозии. Наиболее интенсивно МКК в аустенит-ной стали протекает в интервале  Т= 550−650 °С.

Особые требования к устойчивости против МКК предъявляют к хромоникелевым коррозионно-стойким сталям и сплавам, применяемым в ядерных энергетических установках для работы в кон-такте с водой и паром при высокой температуре. Выход из строя различных узлов и деталей реакторных установок, нарушение герметичности системы, разрушение тонкостенных оболочек твэлов, стенок сильфонов и другие неисправности могут привести к тяжелым авариям.

В течение длительного времени считалось, что вода и пар даже при  высокой  температуре  не  являются  настолько  агрессивными средами,  чтобы  вызвать  МКК  хромоникелевых  коррозионно-стойких сталей и сплавов. Однако это не так. Хотя часто этот процесс развивается медленно, но при определенных условиях разрушение границ зерен может стать значительным.

Коррозионное растрескивание под напряжением(КРН). Аустенитные коррозионно-стойкие стали при совместном воздействии на них механических напряжений и коррозионно-агрессивной среды подвергаются особому виду разрушений − КРН. Опасность коррозионного растрескивания заключается в том, что за сравнительно короткое время металл, практически не затронутый общей коррозией, поражается сквозными трещинами и разрушение происходит внезапно, без предварительных видимых изменений детали. Опыт эксплуатации  водоохлаждаемых реакторов показывает, что наиболее часто выходят из строя парогенераторы, теплообменники, оболочки твэлов кипящих реакторов с перегревом пара и др.

В большинстве случаев причиной таких разрушений было несоблюдение водного режима и, в частности, повышенное содержание хлоридов и кислорода в воде, а также наличие остаточных или действующих напряжений. КРН  возникает  при  одновременном  действии  растягивающих напряжений и корродирующей среды. Возможность КРН установлена для многих технических материалов (алюминиевых и магниевых сплавов, углеродистых и малолегированных сталей, коррозионно-стойких сталей, никелевых сплавов). Различие заключается лишь в составе агрессивных сред и в величине действующих растягивающих напряжений. Коррозионно-стойкие аустенитные стали наиболее сильно подвержены так называемому хлоридному КРН в растворах хлоридов железа, магния, цинка, кальция, лития и др. Исследования большого числа твэлов, вышедших из строя по причине КРН, показывают, что наиболее опасными в этом отношении являются хлориды желе-за. КРН проявляется в виде трещин, скорость распространения которых зависит от состава и параметров коррозионной среды. Трещины могут развиваться от поверхности в глубь металла, проходя по телу зерен(транскристаллитное разрушение) и по границам зерен (межкристаллитное разрушение). КРН зависит от многих факторов − напряжения, состава среды, температуры, длительности воздействия среды, структуры и состава металла, степени пласти-ческой деформации(наклепа), характера защитных пленок на металле и др.

Для снижения склонности аустенитной стали к КРН необходимо обеспечить полное снятие наклепа. Растягивающие напряжения от наклепа, складываясь с растягивающими действующими (рабочими) напряжениями, могут резко усилить растрескивание.

Характер КРН аустенитных сталей макроскопически во многом аналогичен  механическому  разрушению  хрупких  металлов.  Напряженная сталь в хлоридсодержащей среде растрескивается еще до появления заметной пластической деформации без образования типичной для пластического разрушения шейки. Трещины распространяются в направлении, перпендикулярном к направлению растягивающей нагрузки (рис. 10), что характерно для хрупкого разрушения отрывом. Сам вид трещин во многих случаях таков, как будто они образовались в результате мгновенного разделения прилегающих  слоев  атомов(скорость  распространения  трещины достигает нескольких мм/ч). К тому же на поверхности стали, в том числе и у самой трещины, часто нет видимых продуктов коррозии и других признаков общего коррозионного разрушения.

 

Рис. 10. Схематическое изображение трещины при коррозионном растрескивании аустенитной стали:  К − катод; А – анод (стенки недеформируемого металла); А* − анод (вершина деформируемого металла, j ≈5⋅103 А/м2); р − направление приложения нагрузки

 

Поскольку зарождение и развитие процесса КРН обусловлено совместным действием двух факторов − механического и коррозионного,  различные  способы  защиты  от  этого  вида  разрушения должны основываться на ослаблении или полном исключении хотя бы одного их этих факторов: уменьшении концентрации напряжений; повышении степени чистоты обработки поверхности; снятии остаточных напряжений путем термической обработки; применении защитных покрытий(никелем и другими металлами и сплава-ми), устраняющих действие коррозионного фактора; специальной обработке коррозионной среды(уменьшении концентрации хлоридов,  кислорода) и  других  мероприятий. Существенное значение приобретает правильный выбор тепловой схемы ЯЭУ и правильных конструктивных решений ее элементов. Немаловажное значение имеет также выбор состава конструкционного материала.

Коррозионная стойкость при взаимодействии с продуктами деления ядерного топлива. Отдельного обсуждения заслуживает коррозионная стойкость аустенитных сталей в средах, содержащих продукты деления(ПД) ядерного топлива. Это касается поврежений на внутренней поверхности оболочек твэлов реакторов на быстрых нейтронах, контактирующей с ядерном топливом, т.е. внутритвэльной коррозии. Глубина коррозии внутренней поверхности оболочек зависит от степени выгорания топлива и может составлять десятки микрометров.

Наиболее серьезным видом поражения оболочек твэлов является образование межкристаллитных трещин на их внутренней поверхности в зоне максимального увеличения диаметра твэла, которые имеют тенденцию распространения вдоль оси твэла. Их глубина в ряде случаев превышает100 мкм, т.е. более0,25 толщины оболочки штатного твэла реактора БН-600.

В целом, на деградацию оболочки твэла реактора на быстрых нейтронах в условиях высоких выгораний в процессе  эксплуатации влияют: физико-химическое взаимодействие топлива и ПД с оболочкой; КРН в присутствии агрессивных ПД с зарождением и развитием микротрещин; изменение прочностных характеристик и радиационное охрупчивание оболочек; распухание оболочек; воз-действие  нейтронного  облучения  на  характеристики  ползучести оболочек.

Наибольшие повреждения оболочке наносят ПД топлива, такие химически активные элементы, как Cs, Te и I, активно взаимодействующие с внутренней поверхностью оболочки вплоть до уточнения ее до100−150 мкм. Эти значения относятся к оболочкам из коррозионностойкой аустенитной реакторной стали ЭИ847.

На процесс взаимодействия влияют параметры, которые можноразделить на три  группы: параметры  топлива:  состав,  начальная  величина  отношения числа атомов кислорода к числу атомов урана(О/М), величина химического потенциала кислорода в зазоре между топливом и оболочкой, плотность топлива; параметры облучения: глубина выгорания, линейная тепловаямощность твэла, температуры внутренней поверхности оболочки и внешней поверхности топлива; параметры оболочки: химический состав материала оболочки, способ его предварительной обработки, наличие механических напряжений в оболочке.

Анализ работ, посвященных исследованию твэлов с оксидным топливом, облученных в реакторах на быстрых нейтронах, показывает, что в зоне коррозии внутренней поверхности оболочки всегда присутствуют продукты деления (в основном, цезий, йод и теллур) и кислород. Коррозия внутренней поверхности оболочки сопровождается  переносом компонентов материала оболочки в топливо.

Особенно это проявляется в твэлах с высоким выгоранием и повышенной линейной тепловой мощностью (до500 Вт/см).

Межкристаллитная и, частично, фронтальная коррозия вызывается, в первую очередь, совместным воздействием цезия и теллура, ускоряющих окисление границ зерен при кислородном потенциале, превышающем порог окисления хрома в коррозионно-стойкой стали. Химический перенос компонентов оболочки в топливо связан сих растворением в жидкой среде. При этом главную роль играет смесь Те с Сs, считающаяся подходящей средой для переноса Fe, Cr и Ni в зазоре между топливом и оболочкой. Под действием градиента температуры компоненты оболочки в виде теллуридов поступают в глубь топлива, где начинают преобладать процессы раз-ложения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6.Применение аустенитных коррозионно-стойких сталей в ЯЭУ

Коррозионно-стойкие хромоникелевые аустенитные стали благодаря их высокой жаропрочности, коррозионной стойкости и технологичности находят широкое применение (примеры использования  сталей  этого  класса  приведены  в  табл. 3)