Водород-индуцированные дефекты в сплаве Zr1%Nb

ВВЕДЕНИЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

ГЛАВА 1. ВЛИЯНИЕ ВОДОРОДА НА ДЕФЕКТНУЮ СТРУКТУРУ

И СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.1. Взаимодействие водорода с циркониевыми сплавами и его влияние на

их свойства. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.1.1. Влияние водорода на фазовый состав . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.1.2. Растворение водорода в решетке . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.1.3. Влияние водорода на электронную структуру циркониевых

сплавов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

1.1.4. Диффузия водорода в решетке . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1.2. Влияние водорода на дефектную структуру металлов . . . . . . . . . . . . . . . 20

1.2.1. Взаимодействие водорода со структурными дефектами . . . . . . . . . . . . 20

1.2.2. Водород-индуцированные дефекты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

1.3. Физические основы поведения позитронов в твердых телах

и особенности их применения для исследования дефектов

водородного происхождения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

1.3.1. Время жизни позитронов в материале . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

1.3.2. Доплеровское уширение аннигиляционной линии позитронов. . . . . . . 30

1.3.3. Влияние дефектной структуры на параметры аннигиляции

позитронов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

1.3.4. Влияние водорода на параметры аннигиляции позитронов в

дефектных структурах. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

/
1.4. Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. . . . . . . . . . . . . . . 42

2.1. Подготовка образцов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

2.2. Методы насыщения водородом, определения концентрации

и распределения водорода по глубине . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

2.3. Позитронная спектроскопия дефектов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

2.3.1. Спектрометрия времени жизни позитронов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

2.3.2. Определение вклада источника позитронов на основе 44Ti в

спектр времени жизни позитронов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

2.3.3. Спектрометрия доплеровского уширения аннигиляционной линии . . . 53

2.4. Моделирование системы Zr, Zr-H и Zr-v-H . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

2.5. Структурные методы анализа и исследование

механических характеристик . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

2.6. Способ подготовки образцов для исследования

водород-индуцированных дефектов с применением радиоактивного

изотопа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

2.7. Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

ГЛАВА 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ

ПОЗИТРОННОЙ АННИГИЛЯЦИИ В

ВОДОРОД-ИНДУЦИРОВАННЫХ ДЕФЕКТАХ СПЛАВА Zr1%Nb . . . . . . . 66

3.1. Результаты моделирования характеристик позитронной аннигиляции

в системе Zr, Zr-H, и Zr-v-H . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

3.2. Определение характеристик позитронной аннигиляции в

дислокациях циркония . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

/
3.3. Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

ВЛИЯНИЯ ВОДОРОДА НА ДЕФЕКТНУЮ СТРУКТУРУ СПЛАВА

Zr1%Nb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

4.1. Исследование структуры и поведения позитронов в образцах

сплава Zr1%Nb после технологического отжига . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

4.2. Исследование распределения водорода по глубине при

насыщении циркониевого сплава из газовой фазы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

4.3. Изменение фазового состава и параметров решетки сплава Zr1%Nb

после насыщения водородом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

4.4. Экспериментальное исследование зависимости параметров

аннигиляции позитронов от концентрации водорода в сплаве Zr1%Nb . . . . 92

4.4.1. Влияние водорода на характеристики бездефектных

областей кристаллической решетки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

4.4.2. Влияние водорода на эволюцию дефектной структуры сплава

Zr1%Nb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

4.4.2.1. Определение типа водород-индуцированных дефектов в

сплаве Zr1%Nb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

4.4.2.2. Определение концентрации водород-индуцированных дефектов

в сплаве Zr1%Nb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

4.5. Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

ЗАКЛЮЧЕНИЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

/

В работе впервые было проведено комплексное исследование эволюции
дефектной структуры сплава Zr1%Nb (марка Э110) в зависимости от
содержания водорода с применением метода аннигиляции позитронов.
Анализ литературных данных показал, что насыщение водородом
металлических материалов приводит к формированию таких типов
водород-индуцированных дефектов, как вакансии, дислокации, вакансионные
кластеры, комплексы типа “вакансия-водород” и “кластер водород”. При этом
процесс дефектообразования сопровождается такими изменениями в
кристаллической структуре, как растворение водорода в междоузлиях
решетки, расширение ее объема, образование гидридных фаз.
В ходе проделанного исследования было впервые определено
количественное влияние водорода на характеристики аннигиляции
позитронов в решетке и дефектных структурах сплава Zr1%Nb. В частности,
показано, что:
● увеличение объема кристаллической решетки циркония приводит к
росту времени жизни позитронов по линейному закону с
коэффициентом 1,33 пс / %;
● растворение водорода с локализацией в решетке, а также в окрестности
вакансии циркония приводит к снижению времени жизни позитронов
на 1,2 – 2,5 пс и 7,4 пс, соответственно;
● время жизни, а также коэффициент захвата позитронов в дислокациях
циркония составляет 217 пс и 9,12 ᆞ10 -4
м2с-1, соответственно.
При этом в диссертационной работе продемонстрировано, что
аннигиляция позитронов в сплаве Zr1%Nb происходит в циркониевой
матрице и влиянием ниобия на параметры аннигиляции можно пренебречь.

/
Результаты проведенного исследования показывают, что процесс
эволюции дефектной структуры сплава Zr1%Nb под воздействием водорода
можно разделить на несколько этапов в зависимости от достигнутой
концентрации водорода:
● до 0,008 масс. % водорода – структурные дефекты не образуются;
водород растворяется в междоузлиях циркониевой матрицы, оказывая
влияние на расширение кристаллической решетки;
● до 0,015 масс. % водорода – сопровождается образованием дефектов
типа V-H и V-2H (с локализацией водорода преимущественно в
тетраэдрическом междоузлии) с концентрацией 10-6 – 10-7 ат-1 и
расширением кристаллической решетки вплоть до ～2,4%;
● в диапазоне концентраций 0,023 – 0,061 масс. % водорода происходит
образование дислокаций, плотность которых растет с ростом
ᆞ
концентрации в диапазоне (4,57 – 8,88) 10-8 см-2.
Результаты исследования эволюции дефектной структуры сплава
Zr1%Nb, полученные с применением метода ЭПА, хорошо согласуются с
данными структурных методов анализа, использованных в диссертационном
исследовании, и не противоречат имеющимся литературными данными.
В заключении автор выражает благодарность научному руководителю,
доктору технических наук, профессору Лидеру Андрею Марковичу, а также
сотрудникам отделения экспериментальной физики Томского
политехнического университета за содействие в проведении экспериментов и
обсуждении результатов. Автор считает своим долгом выразить
благодарность Святкину Л.А. за консультации при проведении расчетов
поведения позитронов в исследуемых системах. Также автор благодарит
сотрудника Института физики прочности и материаловедения СО РАН,
Толмачева А.И. за проведение механической деформации методом холодной
прокатки исследуемых в данной работе образцов.

/