Фазовым анализом называется установление наличия фаз в исследуемом образце, их идентификация (качественный анализ) и определение относительного содержания фаз (количественный анализ). Каждое кристаллическое вещество характеризуется атомным составом, кристаллической решеткой и расположением атомов в элементарной ячейке и поэтому дает специфическую рентгеновскую дифракционную картину. Таким образом, получаемая в эксперименте рентгеновская дифракционная картина многофазного поликристаллического образца есть сумма рентгенограмм всех фаз, находящихся в образце. Дифракционной характеристикой вещества служит спектр значений межплоскостных расстояний d и относительных интенсивностей (I) отражений от этих плоскостей, полученной на монохроматическом излучении.
Знание межплоскостных расстояний исследуемого объекта позволяет, таким образом, охарактеризовать его кристаллическую решетку и установить во многих случаях, с каким веществом (фазой) мы имеем дело
В основу методов рентгеновской дифрактометрии кристаллов заложено изучение дифракции рентгеновских лучей на кристаллической решетке. При освещении кристалла монохроматическим рентгеновским пучком при некоторых геометрических условиях наблюдаются пучки, дифрагированные на различные относительно падающего пучка углы (Рисунок 2.4). Условие дифракции, отвечающее максимумам интенсивности дифрагированных пучков выражается формулой Вульфа-Брэгга
 ,
| (2.2) |
где λ - длина волны излучения;
d - межплоскостное расстояние, измеренное по нормали к дифрагирующей плоскости;
- угол дифракции (угол Брэгга);
n - порядок отражения.
Из формулы Вульфа-Брэгга следует, что
 .
| (2.3) |
Поскольку l - длина волны характеристического излучения, в котором получена рентгенограмма, есть величина известная, то задача определения межплоскостных расстояний 
сводится к нахождению углов для всех линий рентгенограммы.
Рисунок 2.4 – Отражение рентгеновских лучей на кристалле.
Другая характеристика дифрагированных пучков - относительная (или абсолютная) интенсивность - определяется взаимным расположением атомов в элементарной ячейке. Обе эти особенности дифракции монохроматических рентгеновских лучей широко и плодотворно используются как для расшифровки строения кристаллов, так и с целью их идентификации.
В поликристаллических образцах дифракция происходит на многих кристаллитах одновременно. Определение фазового состава поликристаллических веществ по их межплоскостным расстояниям является одной из наиболее распространенных и сравнительно легко решаемых задач рентгеноструктурного анализа. Важно, что она может быть решена для любого поликристаллического вещества независимо от типа его кристаллической решетки.
Выше дано определение фазового анализа. Теперь рассмотрим ход анализа. Для этого надо начать с установления наличие фаз в исследуемом образце, и их идентификации, т.е. качественного анализа.
Качественный рентгеноструктурный фазовый анализ
Для решения вопроса о том, какая фаза присутствует в образце, нет необходимости в определении ее кристаллической структуры, а достаточно, рассчитав дифрактограмму, снятую по методу порошка, сравнить полученный ряд межплоскостных расстояний с табличными значениями. Совпадение (в пределах ошибок эксперимента) опытных и табличных значений d/n и относительной интенсивности линий позволяет однозначно идентифицировать присутствующую в образце фазу. Сравнение с табличными результатами начинают с наиболее интенсивных линий. Если три - четыре наиболее интенсивных линии предполагаемой фазы отсутствуют, то полученные значения d/n следует сравнивать с табличными для другой фазы. Межплоскостные расстояния для различных неорганических фаз имеются в ряде справочников. Наиболее полный и постоянно обновляемый определитель фаз - картотека ASTM (Американское общество испытаний материалов).
Если в анализируемом образце присутствуют несколько фаз, то рентгенограмма является результатом наложения дифракционных картин от всех этих фаз, причем интенсивность каждой линии зависит от ее объемной доли. В таком случае пользование таблицами наталкивается на принципиальные трудности, поскольку наиболее сильные линии рентгенограммы могут принадлежать разным фазам, и возникает необходимость проверки большого числа их возможных комбинаций. Для повышения чувствительности метода фазового анализа необходимо правильно подобрать условия съемки. Прежде всего для уменьшения фона, вызванного сплошным спектром, испускаемым рентгеновской трубкой, следует выбирать рабочее напряжение U= 3: 4 U0 (U0 - потенциал возбуждения характеристического излучения материала анода). При применении селективно поглощающего фильтра, кроме ослабления сплошного спектра, можно избавиться от b-линий, затрудняющих идентификацию фаз в многофазных композициях. Крупнокристаллические образцы следует во время съемки вращать, чтобы увеличить количество вещества, участвующего в создании рентгеновской картины. Применение кристалла-монохроматора также позволяет устранить фон от сплошного излучения. Повысить чувствительность метода можно также соответствующим приготовлением образца. Если используется многофазный шлиф, то его поверхность лучше очистить химическим или электролитическим травлением.
Интенсивность линий различных фаз на рентгенограмме зависит от многих факторов, в том числе и от количества той или иной фазы. С увеличением содержания фазы в смеси интенсивность принадлежащих ей линий возрастает. Однако надежное определение наличия той или иной фазы возможно лишь при некоторых минимальных ее количествах. Уменьшение количества какой-то фазы может привести к практически полному исчезновению ее линий на рентгенограмме.
Количественный рентгеноструктурный фазовый анализ
Количественный фазовый анализ, т.е. определение количества какой-либо одной или ряда фаз в многофазных композициях, основан на том, что интенсивность линий данной фазы пропорциональна объемной доле данной фазы в смеси. Анализ основан на количественном сравнении интенсивности линий разных фаз друг с другом или с интенсивностью линии эталона, снимаемого в тех же условиях. Существует много разновидностей методов рентгеновского количественного фазового анализа, описанных в специальной литературе. В любом из них происходит сравнение интенсивности так называемых “аналитических” линий каждой фазы - обычно линия наибольшей интенсивности, свободная от наложения других линий анализируемой или остальных фаз многофазного образца. В отделе материаловедческих исследовании ИАЭ используется экспресс метод полуколичественного анализа.
Для проведения количественного анализа необходимо решить проблему, связанную с изменениями интенсивности дифракционных линий фаз в зависимости от свойств самой фазы. В общем случае зависимость интенсивности дифракционных линий от концентрации фазы не является линейной, так как помимо этого на интенсивность линий оказывает влияние способность фаз поглощать энергию и концентрация всех присутствующих фаз в материале. Уменьшение энергии первичного пучка в результате поглощение фазой можно записать в виде
 ,
| (2.4) |
где 
- интенсивность первичного пучка;
- интенсивность пучка после прохождения приповерхностного слоя фазы толщиной 
;
- линейный коэффициент поглощения (см-1).
Существует понятие массового коэффициента поглощения (
), который не зависит от агрегатного состояния вещества и равен
 ,
| (2.5) |
где 
- плотность материала, г/см3.
В основе всех существующих методов количественного фазового анализа лежит следующее фундаментальное уравнение
 ,
| (2.6) |
где 
- интенсивность некоторого выбранного рефлекса фазы 
;
- экспериментальная постоянная, зависящая от энергии первичного пучка, индексов Миллера (hkl) и условий съемки;
- массовый коэффициент поглощения фазы ;
- содержание фазы (%);
- плотность фазы .
В связи с неопределенностью и уравнение (2.6) в представленной форме нельзя использовать на практике. Для определения содержания 
фаз в образце выражение (2.6) необходимо преобразовать в следующий вид:
| |
| (2.7) |
|
Следует отметить, что 
. В данном случае 
- это количество базовой фазы. Таким способом можно определить содержание фаз в материале, если известны коэффициенты отражения для всех имеющихся фаз, в качестве которых может быть использовано отношение интенсивностей аналитической линий исследуемой фазы к интенсивности аналитической линии какой-либо эталонного соединения.
Зная коэффициенты отражения (корундовое число), и используя выражения (2.7) можно проводить полуколичественный фазовый анализ материалов. В этом случае в качестве базовой фазы можно взять любую фазу, которая присутствует в материале.
Результаты исследований
Для проведения коррозионных испытаний были изготовлены три типа образцов с шероховатостью поверхности 15, 30 и 180 мкм (в общей сложности 9 образцов). Размеры каждого образца были измерены при помощи штангенциркуля с точностью 0,1 мм. Результаты измерений представлены в таблице 2.2. После чего образцы были обезжирены ацетоном и взвешены на весах ВЛР-20г, дискретность которых составляет 5 мкг.
После получения предварительных данных образцы были помещены в муфельные печи и отжигались при температурах 600 ˚С и 400°С. Длительность испытаний составила 30000 сек, что соответствовало 6 временным интервалам. После каждого временного интервала образцы извлекали из печи, взвешивали и проводили дальнейший отжиг.
Таблица 2.2 - Исходные размеры образцов
| Образец | Длина, мм | Ширина, мм | Толщина, мм |
| №1.1 | 12,8 | 5,2 | 2,8 |
| №1.2 | 12,9 | 5,4 | 3,1 |
| №1.3 | 13,9 | 6,5 | 3,1 |
| №2.1 | 13,1 | 5,3 | 2,6 |
| 13,1 | 5,2 | ||
| №2.2 | 12,4 | 5,2 | |
| 4,3 | 3,1 | ||
| №2.3 | 13,6 | 5,8 | 3,1 |
| 13,5 | 5,7 | 3,1 |
Зависимость изменения массы образцов от времени при температурах 400 ˚С и 600° С представлена на рисунках 2.5 и 2.6, где можно видеть что экспериментальные кривые отличаются друг от друга в пределах ошибки измерении (около 5 %).
Рисунок 2.5- Кинетика окисления образцов α-Fe при 600 °С
Рисунок 2.6- Кинетика окисления образцов α-Fe при 400 °С
Для облегчения процедуры и повышения точности нахождения средней скорости коррозии образцов результаты испытаний, показанные на рисунках 2.5 и 2.6, были перестроены в логарифмических координатах (рисунок 2.7 и 2.8).
Рисунок 2.7 - Скорость коррозии образцов α-Fe при 600 °С
Рисунок 2.8 - Скорость коррозии образцов α-Fe при 400 °С
Оказалось, что скорость коррозии этих образцов хорошо описывается степенной зависимостью, так как экспериментальные точки удовлетворительно укладываются на прямую в логарифмических координатах. Из полученных выражений легко определяется и удельное количество продуктов коррозии DGi = (DМ)i/S, появившихся на образце за любое время испытаний ti, и средняя скорость коррозии К,
600°С
№ 1.1 — 
№ 1.2 — 
№ 1.3 — 
400°С
№ 2.1 — 
№ 2.2 — 
№ 2.3 — 
Определение состава оксидного слоя образцов после 600 и 400°С отжига (образцы 1 и 2 соответственно) проводили на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3М.
На рентгенограмме образца 1 (отжиг при 600°С) (см. рис. 2.9) наблюдаются линии соединений FeO, Fe3O4, Fe2O3, а окалина образца 2 (рис. 2.10) состоит из магнетита (Fe3O4) и гематита (Fe2O3)с объемной долей около 5 %, что вполне соответствует литературным данным.
Для определения полуколичественного фазового состава необходимо знать корундовые числа для всех соединений присутствующих на рентгенограмме. В виду того, что мы не располагаем этими данными было решено что корундовые числа у окислов железа примерно одинаковые.
Рисунок 2.9 - Дифрактограмма окалины после отжига при температуре
600 °С
Рисунок 2.10 - Дифрактограмма окалины после отжига при температуре
400 °С
Итак, по результатам полуколичественного рентгеноструктурного фазового анализа видно, что образец №2 состоит из магнетита (Fe3O4 ≈ 95 %) и гематита (Fe2O3 ≈ 5 %), а образец № 1 состоит из 10% FeO, 70% Fe3O4, 20% Fe2O3.
Выводы
На основание проведенных исследовании можно сделать следующие выводы:
· Результаты экспериментов показали, что шероховатость поверхности не влияет на скорость коррозии α-Fe, по крайней мере при температурах 400 и 600 °С.
· Коррозионный слой на образцах после 600 °С отжига состоял из вюстита (FeO 10 %), магнетита (Fe3O4 70 %) и гематита (Fe2O3 20 %), а окалина после 400 °С отжига состоял в основном из магнетита и гематита с объемным содержанием около 5 %.
· На основании полученных результатов экспериментов можно предположить, что различная степень шероховатости поверхности материалов топливных сборок реактора БН-350, изготовленных из нержавеющей стали не будет влиять на корректность прогнозирования степени их коррозии при длительном сухом хранении так как коррозия железа и стали имеют один и тот же механизм..
ОХРАНА ТРУДА
Охрана труда – система обеспечения безопасности жизни и здоровья работников в процессе трудовой деятельности, включающая в себя правовые, социально-экономические, организационно-технические, санитарно-гигиенические, лечебно-профилактические, реабилитационные и иные мероприятия и средства.
Большое значение в деле охраны труда имеет техника безопасности, представляющая собой систему организационных и технических мероприятий и средств, предотвращающих воздействие на работающих опасных производственных факторов, а также производственная санитария как система организационных, гигиенических и санитарно-технических мероприятий и средств, предотвращающих воздействие на работающих вредных производственных факторов.
Безопасность труда – состояние защищенности работника, обеспеченное комплексом мероприятий, исключающих вредное и опасное воздействие на работников в процессе трудовой деятельности.
Вредный производственный фактор – производственный фактор, воздействие которого на работника может привести к заболеванию или снижению трудоспособности.
Опасный производственный фактор – производственный фактор, вследствие которого на работника может привести к временной или стойкой утрате трудоспособности (трудовому увечью или профессиональному заболеванию) или смерти.
Цель экспериментальных исследований в настоящей дипломной работе состояла в исследовании влияния шероховатости поверхности на скорость окисления a-Fe. В связи с условиями выполнения экспериментальных работ, с точки зрения безопасности и охраны труда, следует рассмотреть такие вредные и опасные факторы, как ионизирующее излучение, электрический ток и пожарная безопасность.