МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТТАН
Республиканское государственное казенное предприятие
СЕМИПАЛАТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ имени ШАКАРИМА
Кафедра “Техническая физика и теплоэнергетика”
Допущено к защите
Заведующий кафедрой
Мукушева М.К.
_______________
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
К ДИПЛОМНОМУ ПРОЕКТУ
на тему: Изучение изменения структуры и свойств материалов чехла ТВС реактора БН‑350 после их длительного отжига.
ТЕХНИЧЕСКАЯ ФИЗИКА
Выполнил студент гр. ТФ‑501Джамбусынов А.К.
Руководитель Коянбаев Е.Т. начальник лаборатории 231________
Курчатов 2009 г.
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени ШАКАРИМА
Кафедра "Техническая физика и теплоэнергетика"
УТВЕРЖДАЮ:
Зав. кафедрой _____________
«___»______________2009 г.
ЗАДАНИЕ
по дипломному проекту студента
Джамбусынова Айдына Калимбековича
1. Тема дипломной работы: «Изучение изменения структуры и свойств материалов чехла ТВС реактора БН‑350 после их длительного отжига» Утверждена приказом по университету №______ от «___» _________2009г.
2. Сроки выполнения дипломной работы ____________________________
3. Содержание расчетной ‑ пояснительной записки
| Раздел | Консультант | Дата выполнения | Подпись консультанта | ||
| Введение | Коянбаев Е.Т. | ||||
| 1 Литературный обзор | Коянбаев Е.Т. | ||||
| 2 Исследования и результаты | Коянбаев Е.Т. | ||||
| 3 Безопасность и охрана труда | Олейникова А.С. | ||||
| 4 Экономическая часть | Масквина Л.А. | ||||
| 5 Нормоконтроль | Сургутанова Г.В. | ||||
| 6 Рецензент | Бакланов В.В. | ||||
Спец. тема (вопрос)__________________________________________
Дата выдачи задания «_____» _______________ 2009 г.
Руководитель работы Коянбаев Е.Т.
Подпись руководителя_____________
Задание принял к исполнению «_____» ____________2009 г.
СОДЕРЖАНИЕ:
ВВЕДЕНИЕ................................................................................................................................... 4
1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР............................................................................................. 6
1.1 Общие представления о структуре и физика – механических свойствах металлов. 6
1.2 Структура сталей........................................................................................................... 12
1.3 Нержавеющая сталь 12Х18Н10Т................................................................................. 15
2 МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ............................................................................... 17
2.1 Подготовки образцов к металлографическим исследованиям................................ 17
2.1.1 Шлифование.................................................................................................................. 17
2.1.2 Полирование.................................................................................................................. 18
2.3.2 Травление....................................................................................................................... 19
2.2 Определения структуры материалов методами микроанализа................................ 20
2.2.1 Методы оптической микроскопии.............................................................................. 21
2.2.2 Методы электронной микроскопии............................................................................ 23
2.3 Определение физика – механических свойств.......................................................... 24
2.3.1 Определение микротвердости..................................................................................... 24
2.3.3 Определение плотности............................................................................................... 28
2.4 Определение прочностных характеристик................................................................ 31
2.4.1 На одноосное растяжение............................................................................................ 31
2.4.2 Шео – Панч.................................................................................................................... 34
3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ............................................................................ 36
3.1 Изменения микроструктуры материалов после их длительного отжига в среде аргона и воздуха 38
3.2 Изменение плотности высоко облученных образцов стали 12Х18Н10Т в результате долговременных отжигов.......................................................................................................... 42
3.3 Эволюция микротвердости высокооблученной стали при длительном термическом воздействии. 43
3.4 Механические испытания на сдвиг по схеме «Шео-Панч» и на «одноосное растяжение». 44
4 БЕЗОПАСНОСТЬ И ОХРАНА ТРУДА..................................................................... 48
4.1 Общие положения......................................................................................................... 48
4.2 Электробезопасность.................................................................................................... 49
4.2.1 Действие электрического тока на живой организм.................................................. 49
2.3.4 Защита персонала от действия электрического тока................................................ 51
2.3.5 Медицинская помощь................................................................................................... 54
4.3 Радиационная безопасность......................................................................................... 54
4.4 Пожарная безопасность................................................................................................ 58
5 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ...................................................................................... 61
5.1 Заработная плата исполнителей.................................................................................. 61
5.2 Отчисления работодателей.......................................................................................... 64
5.3 Прямые затраты............................................................................................................. 65
2.3.6 Специальное питание................................................................................................... 65
2.3.7 Материальные затраты................................................................................................. 66
5.4 Накладные расходы...................................................................................................... 66
ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................................................... 68
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.................................................................. 69
ВВЕДЕНИЕ
Реактор БН‑350 был первым в мире прототипным реактором на быстрых нейтронах. Его физический пуск состоялся в 1972 году, а выработка электроэнергии началась с 1973 года. На реакторе также осуществлялось производство опресненной воды с помощью расположенного рядом опреснительного комплекса. БН‑350 был окончательно остановлен в 1999 году. Сейчас собираются поместить на длительное хранение.
Известно, что топливо реактора БН‑350 представляет собой таблетки из смеси диоксидов плутония и урана диаметром 6 мм. Оболочки твэлов (первый барьер на пути выхода радионуклидов в окружающую среду), изготовленные из нержавеющей стали, имеют внешний диаметр 6,9 мм, толщину стенок 0,4 мм и высоту 2060 мм. Чехлы ТВС также изготовлены из нержавеющей стали. В настоящее время топливные сборки упакованы в контейнеры по технологии ANL (США) и временно хранятся в водном бассейне в Актау. Технология сухого хранения сборок в среде аргона допускает наличие влажности, не превышающей 10 %. Проектная вероятность повреждения топливных сборок при сухом хранении в течение 50 лет вирируется в диапазоне 3-50 % в зависимости от степени коррозии. Беспокойство вызывает то, что по различным оценка в результате травления внутренней поверхности оболочек твэлов их толщина может уменьшаться на 10 ‑ 40 % в процессе эксплуатации реактора. Коррозия оболочек твэлов (первого барьера) при сухом хранении может привести к уменьшению их механической прочности и, в конечном счет, разрушению.
Учитывая то, что контроль или возможность измерения температуры, давления или состояния топливных сборок в контейнере не предусмотрено, единственным инструментом для оценки состояния топливных сборок остается проведение модельных исследований с облученными материалами и экстраполяция экспериментальных данных.
Исследования по прогнозированию поведения материалов топливных сборок ядерных реакторов были начаты в Институте атомной энергии в 2004 году в рамках научно-технической программы «Развитие атомной энергетики в Республике Казахстан». Целью этих работ являлась прогнозирование степени деградации барьерных материалов топливных сборок реактора БН-350 в условиях их длительного сухого хранения. Для проведения такого прогноза, были проведены эксперименты по длительному отжигу облученных и необлученных образцов чехла ТВС реактора БН-350, где определяли изменение массы отжигаемого образца за счет образования окисного слоя на поверхности. В этих экспериментах были определены основные показатели коррозии и проведен прогноз степени коррозионного разрушения материалов реактора БН-350 за время длительного сухого хранения.
Во время высокотемпературного отжига в материале протекает два процесса: в приповерхностном слое–окисление, в объеме–старение. Оба этих процесса вносят свой вклад в изменение структурно-фазового состояния и физико-механических свойств нержавеющих аустенитных сталей–материалов чехлов и оболочек отработавших тепловыделяющих сборок. На основании полученных результатов по коррозии был дан прогноз поведения аустенитных сталей в условиях длительного «сухого» хранения отработавшего ядерного топлива. Но для более корректного прогноза необходимо учитывать изменения структуры и свойств стальных облученных образцов, которые обусловлены термическим старением материала во время отжига.
Целью данной работы является определение степени изменения физико-механических свойств материала облученного чехла ТВС реактора БН-350 во время длительного термического старения.
ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
1.1 Общие представления о структуре и физика ‑ механических свойствах металлов.
Изучение структуры металла проводят на специально подготовленных плоских и гладких поверхностях-шлифах. Приготовление шлифа заключается в шлифовании и последующем полировании металла. Полирование металла можно проводить механическим (на абразивных материалах) и электролитическим (растворением в специальном реактиве под действием электрического тока) способами.
Существуют различные способы выявления структуры металла. Чаще всего применяют химическое травление. При этом способе поверхность шлифа подвергают воздействию специального реактива, который в зависимости от цели исследования выявляет границы зерен, различные фазы, неметаллические включения, поверхностные слои, поры, трещины и прочие детали строения металла. Обычно проводят исследование макроструктуры и микроструктуры.
Макроструктура ‑ это строение металла или сплава, видимое невооруженным глазом или при небольшом увеличении (30-40 раз). Анализ макроструктуры позволяет обнаружить в металле крупные неметаллические включения, пористость, усадочные раковины, трещины, выявить направление волокон после обработки металла давлением
Микроструктура ‑ это строение металла или сплава, видимое при больших увеличениях с помощью микроскопа. Анализ микроструктуры дает возможность определить величину и расположение зерен металла, размеры и количество мелких неметаллических включений и различных фаз в металле, проконтролировать состояние структуры поверхностного слоя изделия, выявить микродефекты (мелкие трещины, раковины и т. д.), а также некоторые дефекты кристаллического строения (дислокации и их скопления).
Многочисленными исследованиями установлено, что структура металла является одним из основных факторов, определяющих свойства металлических изделий. Макро ‑ и микроанализ металла заготовок и изделий позволяет своевременно выявить дефекты металла, которые могут понизить эксплуатационные свойства и надежность изделий в работе. Поэтому контроль структуры производится на всех этапах изготовления изделий, начиная от выплавки металла и кончая термической обработкой готовых деталей.
Микроструктура металлов и сплавов характеризуется величиной зерна и расположением его, формой, размером и количеством различных фаз. От этих факторов зависят физико-механические свойства сплавов.
Микроструктуру сплавов изучают под микроскопом (при различных увеличениях) на хорошо приготовленных шлифах. Для выявления микроструктуры сплавов применяют следующие методы: химическое травление, электролитическое травление, магнитный метод, тепловое травление, травление в расплавленных солях, катодное травление, усиление рельефа микроструктуры после объемных превращений.
Различные фазы сплава отличаются химическим составом, кристаллическим строением, механическими свойствами. Поэтому в основе всех методов выявления структуры лежит подбор условий, которые помогают выявить различия фаз и отличить их друг от друга.
Для выявления микроструктуры применяют специально подобранные кислоты и щелочи различной концентрации, растворы различных солей и их смеси, различные составы электролитов, нагревание до различной температуры на воздухе или в специальной среде газов и паров, нагревание до определенных температур при пропускании электрического тока. На поверхности шлифа происходит растворение одних фаз, окисление и окрашивание других. В результате на шлифе под микроскопом можно увидеть очертания зерен и различных фаз, определить их взаимное расположение; по цвету, форме и размерам определить присутствующие в сплаве фазы, т. е. выявить микроструктуру сплава.
Свойства металлов, как и других материалов, принято делить на физические, химические, механические и технологические. Все свойства материалов зависят от их химического состава и строения (структуры).
Физические свойства металлов характеризуются плотность, температурой плавления, теплопроводностью, тепловым расширением, удельной теплоемкостью, электропроводностью и способностью намагничиваться. Химические свойства определяются отношением металлов к химическим воздействиям различных сред. Физические свойства изучаются в курсе физики, а химические ‑ коррозионная стойкость, окалина стойкость и др.‑ рассматриваются в соответствующих главах данного учебника.
Важнейшее значение для определения пригодности металлов в качестве конструкционных материалов имеют их механические свойства. К механическим свойствам относятся:
Прочность – способность металла оказывать сопротивление действию внешних сил, не разрушаясь. Отношение прочности к плотности называют удельной прочностью. Сопротивление металла действию многократного повторяющегося нагружения носит название усталостной прочности;
Упругость – свойство металла восстанавливать свою форму после прекращения действия внешних сил, вызвавших изменение формы.
Пластичность ‑ свойство металла деформироваться без разрушения под действием внешних сил и сохранять изменению форму после прекращения сил. Пластичность – свойство, обратное упругости;
Твердость ‑ способность металла оказывать сопротивление проникновению в него более твердого тела;
Вязкость ‑ способность металла оказывать сопротивление ударным нагрузкам. Вязкость – свойство, противоположное хрупкость;
Износостойкость – сопротивление металла изнашиванию вследствие процессов трения. Износ определяется по изменению размеров или массы деталей.
Значение характеристик рассмотренных механических свойств определяются статическим растяжением, а также испытаниями на твердость, ударную вязкость, усталость и износ.
Рисунок ‑ 1. Диаграмма растяжения образца из мягкой стали
Испытание на растяжение. При этом виде испытаний обычно применяют круглые образцы диаметром 10 и 20 мм. Расчетная длина образцов берется равной десятикратному или пятикратному диаметру.
Испытываемый образец материала с первоначальной площадью поперечного сечения Fo, мм2, постепенно растягивается возрастающей силой P, H. Результаты испытаний изображаются диаграммой растяжения (рисунок ‑ 1). на диаграмме по оси ординат откладывается растягивающая сила P, а по оси абсцисс – абсолютное удлинение образца. С возрастанием нагрузки расчет и напряжение δ, которое характеризуется отношением величины нагрузки к площади поперечного сечения образца и выражается в паскалях (1Па=1Н/м2).
Прямая линия ОР на диаграмме показывает, что до точки Р удлинение образца возрастает пропорционально росту нагрузки. Эта зависимость носит название закона пропорциональности. Наибольшее напряжение, до которого испытываемый образец деформируется без отклонения от закона пропорциональности, называется предел пропорциональности. До этой точки деформация бывает упругой, так как полностью исчезает после снятия нагрузки. При дальнейшем растяжении образца наблюдается отклонение от закона пропорциональности.
Точка Е соответствует пределу упругости, т.е. напряжению, при котором образец при снятии нагрузки обнаруживает первые признаки остаточной деформации.
При дальнейшем возрастании усилия растяжения у пластичных материалов на диаграмме наблюдается горизонтальный участок Т-Т1, указывающий на то, что образец продолжает удлиняться без заметного возрастания нагрузки (материал как бы «течет»). Напряжение, при котором образец продолжает деформироваться при временном постоянстве нагрузки, называется пределом текучести.
Предел текучести δт определяется
где РТ – нагрузка, соответствующая пределу текучести, Н;
F0 – первоначальная площадь поперечного сечения образца, м2
Высокоуглеродистые стали и некоторые неметаллические материалы не дают площадки текучести, условно принимают напряжение, вызывающая остаточное удлинение, равное 0,2 % начальной длины. Это так называемый условный предел текучести (δ0,2).
Точка В показывает наибольшее значение усилия растяжения во время испытания образца. Условное напряжение, которое соответствует наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца, называется пределом прочности при растяжении (временное сопротивление разрыву). Предел прочности δв определяют по формуле
,
где Рв – наибольшее значение нагрузки, Н;
F0 – первоначальная площадь поперечного сечения образца, м2.
У металлов разрыв образца происходит при более низкой нагрузке, чем Рв (точка К на диаграмме). Это объясняется образованием «шейки», т. е. резким уменьшением сечения образца в одном месте, в котором напряжение продолжает расти до момента разрыва образца.
Отношение нагрузки в момент разрыва к площади поперечного сечения в шейке образца называется истинным сопротивлением разрыву:
,
где Рк – нагрузки в момент разрыва образца, Н;
Fк – площадь поперечного сечения шейки образца после разрыва, м2.
Диаграмма растяжения дает представление о пластичности материала, которая характеризуется относительным удлинением δ и относительным сужением площади поперечного сечения образца ψ.
Относительным удлинением называется отношение приращения длины образца к первоначальной его длине, выраженного в процентах:
,
Где l0 – первоначальная расчетная длина образца, мм;
l1 – длина образца после растяжения, мм.
Относительным сужением называется отношение уменьшения площади поперечного сечения образца к первоначальной площади, выраженное в процентах;
,
где F0 – первоначальная площадь поперечного сечения образца, мм;
F1 – наименьшая площадь поперечного сечения образца после растяжения, мм.
Структура сталей.
Железный сплав с содержанием углерода до 2 % называется сталью. Сталь, не содержащая легирующих компонентов (кроме углерода), называется углеродистой сталью. Углеродистая сталь с содержанием углерода до 0,25 % называется низкоуглеродистой, с содержанием углерода от 0,25 до 0,6 % ‑ среднеуглеродистой, с содержанием углерода от 0,6 до 2 % ‑ высокоуглеродистой.
Структура сталей в равновесном состоянии определяется содержанием углерода, как это показывает диаграмма состояния Fe ‑ Fe3C (Рисунок ‑ 2).
Рисунок ‑ 2. Диаграмма железо ‑ углерод
С увеличением содержания углерода в стали структура изменяется следующим образом. Структура стали с минимальным содержанием углерода (технически чистое железо представляют собой феррит). Феррит имеет зернистое (полиэдрическое) строение. В структуре литой или перегретой среднеуглеродистой стали наблюдаются пластинчатые выделения феррита в перлите. Такая структура называется видманштеттовой. В таких же сталях наблюдаются и выделения феррита по границам зерен перлита.
Небольшое увеличение содержания углерода, даже до сотых долей процента, вследствие незначительной его растворимости в α‑железе (до 0,006 % до 20 ˚С) вызывает образование второй фазы ‑ цементита. При содержании углерода примерно до 0,025 % цементит присутствует в структуре в относительно небольших количествах. Это третичный цементит, выделяющийся из феррита при охлаждении вследствие уменьшения растворимости углерода в α ‑ железе. Третичный цементит располагается главным образом по границам зерен феррита что понижает пластичность и вязкость низкоуглеродистой стали.
Увеличение содержания углерода сверх 0,025 % вызывает образование перлита ‑ двухфазной структуры (эвтектоида), состоящей из феррита и цементита с суммарным содержанием углерода 0,8 %. При этом в стали с содержанием углерода до 0,1 ‑ 0,15 % еще сохраняются включении третичного цементита. Количество перлита возрастает пропорционально увеличению содержания углерода и соответственно уменьшается количество избыточного феррита. Перлит как двухфазная структура при воздействии реактива на микрошлиф травится интенсивнее, чем феррит. Поэтому при рассмотрении под микроскопом перлит имеет вид темных включений неоднородного строения. Вследствие значительной дисперсности строение перлита можно отчетливо различать только при сравнительно больших увеличениях ‑ более чем в 500 раз. Строение тонкопластинчатого перлита (сорбита, троостита) отчетливо различается в электронном микроскопе.
В стали, перлит в большинстве случаев имеет пластинчатое строение; темные пластинки, видимые в перлите, представляют собой тени, отбрасываемые на участке феррита выступающими после травления участками (пластинками) цементита. Наблюдается также перлит зернистого строения. Сталь с такой структурой перлита отличается лучшей пластичностью и обрабатываемостью резанием. Ее стараются получить особенно в заэвтектоидной стали. Морфология перлита в доэвтектоидных и эвтектоидных сталях определяется условиями выполнения отжига.
В заэвтектоидной стали основной структурной составляющей является перлит. Наряду с перлитом присутствует и вторичный цементит, выделяющийся из аустенита при охлаждении вследствие уменьшения растворимости углерода в γ ‑ железе, как это показывает линия ES диаграммы (см. рисунок ‑ 1). При правильном выполнении теплового режима предшествовавшей обработки вторичный цементит присутствует в виде мелких зерен, сравнительно равномерно распределенных в основной массе перлита. Возможно также выделение вторичного цементита в виде сетки по границам зерен перлита. Оно происходить в результате окончания горячей обработки при излишне высокой температуре или отжига с нагревом выше точки А ст (в место принятого нагрева на 50 ‑ 70оС выше А,) и является значительным дефектом заэвтектоидной стали, ухудшающим ее прочность и вязкость.
Еще одной, но более редко встречающейся формой выделения цементита, также сильно ухудшающей механические свойства, является образование его в виде игл. Оно может быть следствием значительного перегрева.
По микроструктуре доэвтектоидной углеродистой стали в равновесном состоянии можно определить содержание углерода следующим образом. Структура такой стали ‑ феррит и перлит. Содержание углерода в феррите из-за незначительности этой величины не учитывают с считают, что весь углерод находится в перлите. Известно, что перлит содержит 0,80 % С поэтому, если известно количество перлита в общей массе структуры стали, то поскольку плотности феррита и перлита близки, можно определить содержание углерода в стали умножением относительно площади (%), занимаемой перлитом на просматриваемом поле шлифа, на 0,8.
Нержавеющая сталь 12Х18Н10Т
Аустенит – твердый раствор углерода в решетке γ ‑ железа. Предельная растворимость углерода в γ ‑ железе 2,14 %. Он устойчив только при высоких температурах, а с некоторым примесями (Mn, Cr и др.) при обычных температурах. Аустенит обладает высокой пластичностью, низкими пределами текучести и прочности. Твердость аустенита от 160 до 200 НВ. С помощью легирования никелем или эквивалентными элементами можно подавить процессы образования мартенсита или феррита и добиться сохранения аустенитной структуры при комнатной температуре. Соотношение "18 – 8" – наиболее экономичная комбинация никеля и хрома, приводящая к аустенитной структуре в присутствии допустимого количества других стабилизирующих аустенит элементов, главным образом углерода. Основные достоинства такой структуры – высокие механические свойства, но эта же структура отличается и повышенной коррозионной стойкостью. Большинство добавок (например, добавка молибдена, повышающая коррозионную стойкость) вызывает необходимость дополнительного легирования, обеспечивающего чисто аустенитную структуру. Как и в случае мартенситной стали, присутствие d –феррита приводит к уменьшению коррозионной стойкости (из-за сегрегации хрома или молибдена в феррите) и может влиять также на механические свойства и обрабатываемость в горячем состоянии.
Сложнолегированная сталь, стойкая против ржавления в атмосферных условиях и коррозии в агрессивных средах. Основной легирующий элемент нержавеющей стали ‑ хром (12 ‑ 20 %); кроме того, нержавеющая сталь содержит элементы, сопутствующие железу в его сплавах (С, Si, Mn, S, Р), а также элементы, вводимые в сталь для придания ей необходимых физико-механических свойств и коррозионной стойкости (Ni, Mn, Ti, Nb, Co, Mo). Чем выше содержание хрома в стали, тем выше её сопротивление коррозии; при содержании хрома более 12 % сплавы являются нержавеющими в обычных условиях и в слабоагрессивных средах, более 17 % ‑ коррозионностойкими и в более агрессивных окислительных и др. средах, в частности в азотной кислоте крепостью до 50 %. Коррозионная стойкость нержавеющей стали объясняется тем, что на поверхности контакта хромсодержащего сплава со средой образуется тончайшая защитная плёнка окислов или др. нерастворимых соединений.
Механические характеристики нержавеющей стали типа 12Х18Н10Т при температуре 200 ˚С. Свойства стали представлены в таблице 1, характеристики сварных швов приняты как и самой стали, т.е. коэффициент ослабления К=1. В запас прочности скоростное упрочнение не учитывалось.
Таблица 1
| Материал | Модуль упругости, Е, Н/мм2 | Предел текучести, sТ, Н/мм2 | Предел прочности, sВ, Н/мм2 | Предельная деформация, d,% | Коэфф. Пуассона, m | Плотность r, г/см3 |
| Сталь 12Х18Н10Т | 45…50 | 0.3 | 7.9 |
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ