Влияние структуры стержней гафния на их механические свойства, коррозионную и радиационную стойкости

В. А. Зуёк, В. С. Красноруцкий, Т. П. Черняева, М. В. Третьяков, Р. А. Рудь

ННЦ «Харьковский физико-технический институт», Научно-технический комплекс «Ядерный топливный цикл», ул. Академическая 1, 61108 Харьков, Украина

Получена 26.06.2019; окончательный вариант — 02.03.2020 Скачать PDF logo PDF

Аннотация
В работе представлены и обозреваются результаты исследования зависимости механических свойств, коррозионной и радиационной стойкостей прутков гафния от их структуры. Установлено, что оптимальными механическими свойствами (высокой прочностью и пластичностью) обладают прутки в полностью рекристаллизованном состоянии c мелкозернистой структурой. Предел прочности этих прутков при комнатной температуре составляет $\approx$ 575 МПа, относительное удлинение — 27–28%. Из результатов автоклавных коррозионных испытаний и анодных поляризационных кривых следует, что наиболее защитными являются оксидные плёнки, образующиеся на образцах гафния в полностью рекристаллизованном состоянии, что обусловлено низкой поверхностной активностью на границе раздела среда–металл. Скорость коррозии таких прутков гафния в начальный период окисления (до наступления «перелома») хорошо описывается эмпирическим степенным уравнением с показателем степени 0,242 $\pm$ 0,015. После наступления «перелома» (через $\approx$ 6000 ч) кинетика коррозии описывается линейной зависимостью со скоростью 3,12∙10$^{–4}$ $\pm$ 2,07∙10$^{–5}$ мг/(дм$^2$∙год). Из результатов радиационных испытаний, проведённых в ГНЦ РФ НИИАР, и структурно-текстурных исследований этих же образцов прутков гафния в различных структурных состояниях, выполненных в данной работе, показано, что существует корреляция между радиационным ростом прутков гафния и их текстурным коэффициентом (параметром Кернса). Из результатов, приведённых в данной работе, следует, что коэффициент радиационного роста линейно уменьшается с увеличением параметра Кернса до значения 0,33. Это указывает на то, что образцы прутков гафния с более изотропной текстурой менее склонны к радиационному росту. Радиационный рост различается в зависимости и от структуры прутков. Для прутков с одинаковой текстурой и разным размером зерна менее склонными к радиационному росту оказались образцы с мелкозернистой структурой. Более высокую скорость радиационного роста, при схожих параметрах Кернса, показали прутки гафния с крупнозернистой структурой. При облучении при температуре 260–300°C вплоть до флюенса быстрых нейтронов 7,8∙10$^{21}$ см$^{–2}$ деформация радиационного роста прутков с рекристаллизованной структурой, параметром Кернса $\approx$ 0,1 и средним размером зёрен менее 20 мкм практически равна нулю.

Ключевые слова: гафний, структура, текстура, механические характеристики, коррозия, радиационный рост.

Citation: V. A. Zuyok, V. S. Krasnorutskyy, T. P. Chernyayeva, M. V. Tretyakov, and R. O. Rud, Influence of Structure of Hafnium Rods on Their Mechanical Properties, Corrosion and Radiation Resistances, Progress in Physics of Metals, 21, No. 1: 46–71 (2020); doi: 10.15407/ufm.21.01.046


Цитированная литература (33)  
  1. V. S. Krasnorutskyy, V. A. Zuyok, and N. M. Roenko, Problems of Atomic Science and Technology, No. 3 (86): 108 (2005) (in Russian).
  2. V. A. Zuyok, Yu. A. Mufel, and R. A. Rud, Nuclear and Radiation Technologies, Nos. 3–4 (5): 40 (2005) (in Russian).
  3. V. A. Zuyok, V. N Gulko, and V. V. Kornyeyeva, Problems of Atomic Science and Technology, No. 4 (94): 218 (2009) (in Russian).
  4. V. A. Zuyok, V. N. Gulko, I. A. Petelguzov, M. V. Tretyakov, R. A. Rud, I. V. Dikiy, and N. V. Svichkar, Problems of Atomic Science and Technology, No. 2 (97): 66 (2011) (in Russian).
  5. V. A. Zuyok, V. V. Shtefan, R. A. Rud, and M. V. Tretyakov, Problems of Corrosion and Corrosion Protection of Materials. Spec. Iss. J. Physicochemical Mechanics of Materials, No. 11: 30 (2016) (in Russian).
  6. V. A. Zuyok, V. N. Hulko, M. V. Tretyakov, and R. A. Rud, Abst. 20th Int. Conference on Physics of Radiation Phenomena and Radiation Material Science (ICPRP 2012) (Sep. 10–15, 2012, Alushta, Ukraine) (Kharkiv: 2012), p. 146 (in Russian).
  7. A. Herman, V. Shtefan, A. Smyrnova, V. Zuyok, and R. Rud, Abst. 10th Int. Conference on Physics of Advanced Materials (ICPAM-10) (Sep. 22–28, 2014, Iasi, Romania) (Iasi: 2014), p. 141.
  8. Ye. Ye. Varlashova, V. D. Risovany, S. R. Fridman, V. M. Kosenkov, Z. Ye. Ostrovskyy, and V. G. Toporova, Abst. 14th Int. Conference on Physics of Radiation Phenomena and Radiation Material Science (ICPRP 2000) (June 12–17, 2000, Alushta, Ukraine) (Kharkiv: 2000), p. 138 (in Russian).
  9. Ye. Ye. Varlashova, V. D. Risovany, S. R. Fridman, and V. G. Toporova, Abst. 6th Russian Conference on Reactor Materials Science, (Sep. 11–15, 2000, Dimitrovgrad, Russian Federation), p. 103 (in Russian).
  10. Ye. Ye. Varlashova, V. D. Risovany, S. R. Fridman, and V. G Toporova, Abst. 7th Russian Conference on Reactor Materials Science (Sep. 12–17, 2003, Dimitrovgrad, Russian Federation), p.289 (in Russian).
  11. Ye. V. Panchenko, Yu. A. Skakov, K. V. Popov, B. I. Krimer, P. P. Arsentyev, and Ya. D. Khorin, Laboratoriya Metallographiyi [Metallography Laboratory] (Moscow: Metallurgizdat: 1957) (in Russian).
  12. Annual Book of ASTM Standards, Vol. 03.02. Standard Test Method for Corrosion Testing of Products of Zirconium, Hafnium, and Their Alloys in Water at 680 F or in Steam at 750 F, G 2M (ASTM International: 1996).
  13. T.-L. Yau, J. A. Andrews, R. Henson, D. R. Holmes, Corrosion Tests and Evaluation, Silver Anniversary Volume, STP 1000 Practice for Conducting Corrosion Tests on Zirconium and Its Alloys (Eds. R. Baboian and S. W. Dean) (ASTM: 1990), p. 303.
  14. Corrosion Tests and Standards, Application and Interpretation (Ed. R. Baboian) (ASTM International: 1995).
  15. J. H. Schemel, Manual on Zirconium and Hafnium, STP 639 (American Society for Testing and Materials: 1977). https://doi.org/10.1520/STP639-EB
  16. ASM Handbook, Volume 13A: Fundamentals, Testing and Protection (ASM International: 2003).
  17. A. T. Dinsdale, Calphad, 15, No. 4: 317 (1991). https://doi.org/10.1016/0364-5916(91)90030-N; V. A. Tatarenko, Solid State Physics: Encyclopaedic Dictionary (Ed. V. G. Bar’yakhtar) (Kiev: Naukova Dumka: 1996), vol. 1, p. 162 (in Russian).
  18. E. Cerbeta and G. T. Gray III, Metall. Mater. Trans. A, 35, No. 7: 1999 (2004). https://doi.org/10.1007/s11661-004-0149-x
  19. G. Das and T. E. Mitchell, Metall. Mater. Trans. B, 4, No. 5: 1405 (1973). https://doi.org/10.1007/BF02644539
  20. F. W. Vahldiek, J. Less Common Met., 19, No. 2: 83 (1969). https://doi.org/10.1016/0022-5088(69)90023-X
  21. Y. N. Wang and J. C. Huang, Materials Chemistry and Physics, 81, No. 1: 11 (2003). https://doi.org/10.1016/S0254-0584(03)00168-8
  22. H. I. Volokita, E. A. Reznichenko, V. P. Chernukha, and V. I. Savchenko, Problems of Atomic Science and Technology, No. 1 (12): 127 (2002) (in Russian).
  23. V. D. Risovany, Ye. P. Klyuchkov, and V. B. Ponomarenko, Hafniy v Yadernoy Tekhnike [Hafnium in Nuclear Engineering] (Dimitrovgrad: NIIAR: 1993) (in Russian).
  24. ASM Handbook, Vol. 13B: Fundamentals, Testing and Protection (ASM International: 2005).
  25. R. J. H. Clark, The Chemistry of Titanium, Zirconium and Hafnium (Pergamon Press: 1973). https://doi.org/10.1016/B978-0-08-018864-5.50006-0
  26. T.-L. Yau, Hafnium: A Unique Metal with Uncommon Properties Finds New Applications: Outlook (Wah Chang: an Allegheny Technologies Company: 1989), vol. 10, No. 2: p. 3.
  27. R. Herold, Hafnium. Metall., 26, No. 7 (July 1972) (in German).
  28. D. D. Macdonald, Proc. Int. Conf. Water Chem. Nucl. React. Syst. 2 (Oct. 14–17, 1980, Bournement, London), p. 229.
  29. D. M. Rishel, J. D. Smee, and B. F. Kammenzind, J. Nuclear Mater., 303, Nos. 2–3: 210 (2002). https://doi.org/10.1016/S0022-3115(02)00798-5
  30. B. Cox, J. Nuclear Mater., 336, Nos. 2–3: 331(2005). https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2004.09.029
  31. M. Pourbaix, Atlas of Electrochemical Equilibria in Aqueous Solutions (New York: Pergamon Press: 1966).
  32. V. I. Pokhmursky and I. M. Antoshchak, Methods for Electrochemical Studies of Metals in High-Temperature Aqueous Media (Lviv: Spolom: 2010).
  33. H. I. Volokita, V. S. Kranorutsky, E. A. Reznichenko, B. P. Cheny, and M. P. Zeydlits, Problems of Atomic Science and Technology, No. 5 (11): 62 (2000) (in Russian).