Вплив структури стрижнів гафнію на їхні механічні властивості, корозійну та радіяційну стійкості

Випуски УФМ $\rightarrow$ Том 21, випуск 1 (2020)

В. А. Зуйок, В. С. Красноруцький, Т. П. Черняєва, М. В. Трет’яков, Р. О. Рудь

ННЦ «Харківський фізико-технічний інститут», Науково-технічний комплекс «Ядерний паливний цикл», вул. Академічна 1, 61108 Харків, Україна

Отримано 26.06.2019; остаточний варіант — 02.03.2020 Завантажити  PDF

Анотація
У роботі подано й оглядаються результати дослідження залежности механічних властивостей, корозійної та радіяційної стійкостей стрижнів гафнію від їхньої структури. Встановлено, що оптимальні механічні властивості (високу міцність і пластичність) мають стрижні в повністю рекристалізованому стані з дрібнозернистою структурою. Межа міцности цих стрижнів за кімнатної температури складає $\approx$ 575 МПа, а відносне подовження — 27–28%. За результатами автоклавних корозійних випробувань і анодними поляризаційними кривими найбільш захисними є оксидні плівки, які утворюються на зразках гафнію в повністю рекристалізованому стані, що зумовлено низькою поверхневою активністю на межі поділу середовище–метал. Швидкість корозії таких стрижнів гафнію в початковий період окиснення (до настання «перелому») добре описується емпіричним рівнянням з показником степеня у 0,242 $\pm$ 0,015. Після настання «перелому» (через $\approx$ 6000 год) кінетика корозії описується лінійною залежністю зі швидкістю у 3,12∙10$^{–4}$ $\pm$ 2,07∙10$^{–5}$ мг/(дм$^2$∙год). За результатами радіяційних випробувань, яких було проведено в ДНЦ РФ НДІАР, і структурно-текстурних досліджень тих самих зразків стрижнів гафнію в різних структурних станах, проведених у даній роботі, показано, що є кореляція між радіяційним зростанням стрижнів гафнію та їхнім текстурним коефіцієнтом (Кернсовим параметром). Наведені в даній роботі результати свідчать про те, що коефіцієнт радіяційного зростання лінійно зменшується зі збільшенням Кернсового параметра до 0,33. Це вказує на те, що зразки стрижнів гафнію з більш ізотропною текстурою менш схильні до радіяційного зростання. Радіяційне зростання розрізнялося, залежно від структури стрижнів. Для стрижнів з однаковою текстурою та різним розміром зерна менш схильними до радіяційного росту виявилися зразки з дрібнозернистою структурою. Більш високу швидкість радіяційного зростання, при схожих Кернсових параметрах, показали стрижні гафнію з грубозернистою структурою. При опроміненні за температури у 260–300°C до флюенсу швидких нейтронів у 7,8∙10$^{21}$ см$^{–2}$ деформація радіяційного зростання стрижнів з рекристалізованою структурою, Кернсовим параметром у $\approx$ 0,1 і середнім розміром зерен, меншим за 20 мкм, практично дорівнює нулю.

Ключові слова: гафній, структура, текстура, механічні характеристики, корозія, радіяційне зростання.

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

Цитована література (33)

V. S. Krasnorutskyy, V. A. Zuyok, and N. M. Roenko, Problems of Atomic Science and Technology, No. 3 (86): 108 (2005) (in Russian).
V. A. Zuyok, Yu. A. Mufel, and R. A. Rud, Nuclear and Radiation Technologies, Nos. 3–4 (5): 40 (2005) (in Russian).
V. A. Zuyok, V. N Gulko, and V. V. Kornyeyeva, Problems of Atomic Science and Technology, No. 4 (94): 218 (2009) (in Russian).
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).
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).
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).
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.
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).
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).
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).
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).
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).
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.
Corrosion Tests and Standards, Application and Interpretation (Ed. R. Baboian) (ASTM International: 1995).
J. H. Schemel, Manual on Zirconium and Hafnium, STP 639 (American Society for Testing and Materials: 1977). https://doi.org/10.1520/STP639-EB
ASM Handbook, Volume 13A: Fundamentals, Testing and Protection (ASM International: 2003).
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).
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
G. Das and T. E. Mitchell, Metall. Mater. Trans. B, 4, No. 5: 1405 (1973). https://doi.org/10.1007/BF02644539
F. W. Vahldiek, J. Less Common Met., 19, No. 2: 83 (1969). https://doi.org/10.1016/0022-5088(69)90023-X
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
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).
V. D. Risovany, Ye. P. Klyuchkov, and V. B. Ponomarenko, Hafniy v Yadernoy Tekhnike [Hafnium in Nuclear Engineering] (Dimitrovgrad: NIIAR: 1993) (in Russian).
ASM Handbook, Vol. 13B: Fundamentals, Testing and Protection (ASM International: 2005).
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
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.
R. Herold, Hafnium. Metall., 26, No. 7 (July 1972) (in German).
D. D. Macdonald, Proc. Int. Conf. Water Chem. Nucl. React. Syst. 2 (Oct. 14–17, 1980, Bournement, London), p. 229.
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
B. Cox, J. Nuclear Mater., 336, Nos. 2–3: 331(2005). https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2004.09.029
M. Pourbaix, Atlas of Electrochemical Equilibria in Aqueous Solutions (New York: Pergamon Press: 1966).
V. I. Pokhmursky and I. M. Antoshchak, Methods for Electrochemical Studies of Metals in High-Temperature Aqueous Media (Lviv: Spolom: 2010).
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).