Диссертация (Разработка методики определения содержания водорода в материалах с использованием закономерностей ядерного обратного рассеяния протонов)

Научно-исследовательский институт ядерной физикиимени Д.В.Скобельцына Федерального государственного бюджетногообразовательного учреждения высшего образования «Московскийгосударственный университет имени М.В.Ломоносова»На правах рукописиВостриков Владимир ГеннадьевичРазработка методики определения содержания водорода в материалахс использованием закономерностей ядерного обратного рассеянияпротонов05.16.09 – Материаловедение (машиностроение)ДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководительпрофессор, д.т.н.

Крит Б.Л.Москва – 20172СПИСОК СОКРАЩЕНИЙЯОРЯдерное обратное рассеяниеРОРРезерфордовское обратное рассеяниеОРОбратное рассеяниеМДОМикродуговое оксидированиеERDAМетод ядер отдачиЯРМетод ядерных реакций3ОГЛАВЛЕНИЕАннотация…………………………………………………………………………5Введение…………………………………………………………………………..61. Методы анализа содержания легких элементов в материалах………..…..131.1. Метод резерфордовского обратного рассеяния…………...........…161.2. Метод спектрометрии ядерных реакций………………………...211.3.

Спектрометрия ядер отдачи ……………………………….….….241.4. Спектрометрия ядерного обратного рассеяния…………….……301.5. Возможности применения спектрометрии ЯОР…………………401.6. Выводы по главе 1…………………………………………………..472. Оборудование и методы, использованные для проведения исследования иизготовления образцов. Исследуемые образцы.…………………………...…..482.1. Экспериментальная установка на базе 120 см циклотрона НИИЯФМГУ, методика измерения спектров ЯОР протонов и программноеобеспечение………………………………………………………………482.2. Экспериментальная установка на базе ускорителя Ван-дер-ГраафаНИИЯФ МГУ…………………………………………………………….542.3. Метод микродугового оксидирования………………………...….572.4. Исследуемые образцы……………………………………………..623.

Описание разработанной методики………………………………..………..643.1. Вариант методики: сравнение с эталоном без водорода…….….....663.2. Вариант методики: сравнение с модельным спектром …………763.3. Определение сечений для некоторых элементов …………………804. Практическое применение разработанной методики анализа……………864.1. Определение содержания водорода в сплавах титана и циркония.8644.2. Определение содержания водорода в карбиде вольфрама………...904.3.

Анализ защитных покрытий .......…………………………..……954.4. Исследование радиационного урона при анализе оксидныхпокрытий, наполненных полимером.…………..……………………1084.5. Анализ чувствительности разработанной методики ЯОР приисследовании сорбирующих водород углеродных нанотрубок .…113Заключение………………………………….……………..………………..115Литература……………………………….……………………………………1175АННОТАЦИЯПредставлен анализ методов исследование содержания водорода вматериалах.

Создана и апробирована комплексная методика измеренияпрофиля концентраций водорода на основе метода ядерного обратногорассеяния. В результате выполненных исследований решены следующиезадачи:- разработана методика на основе метода ЯОР протонов для обнаруженияводорода в твердых мишенях с разрешением по глубине от 1 мкм до 100 мкмпри концентрации водорода от 20 ат% и выше, с точностью ~ 5%;- построены соответствующие градуировочные зависимости K1/K2 = K1/K2(H)для Mg, Al, Ti, Zr;- определено содержание водорода в наводороженных поверхностных слояхTi;- определено содержание водорода в карбиде вольфрама;- исследован радиационный урон разработанной методики;- проанализирована чувствительность разработанной методики ЯОР дляисследования сорбирующих водород углеродных нанотрубок.Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения,списка литературных источников из 75 наименований.

Материал диссертацииизложен на 134 машинописных страницах, включая 49 рисунков, 2 таблицы исписок сокращений.Ключевые слова: Закономерности ядерного обратного рассеяния протонов,обратное резерфордовское рассеяние, неразрушающая методика анализа,водород в материалах, защитные покрытия, гидриды металлов, карбидвольфрама.6ВВЕДЕНИЕАктуальность темы. Одной из основных задач современногоматериаловеденияявляетсяразработкановыхисовершенствованиесуществующих методов элементного анализа вещества.

Это необходимо вомногих сферах как фундаментальной, так и прикладной науки. Часто встаетзадача определения содержания водорода в веществах [1]. Водород — самыйраспространенный элемент во Вселенной и второй по распространенности наЗемле (~17 ат.%) и входит в том или ином виде в состав многих веществ, и какчасть самой молекулы, и как легко образующаяся примесь, способная дажепринизкихконцентрацияхсущественноизменитьфизико-химическиесвойства вещества, что делает крайне актуальной задачу мониторированиясодержания водорода, как при производстве, так и после продолжительнойэксплуатации различных материалов.Водородное направление в настоящее время вызывает большойприкладной интерес, так как имеется большое количество технологическихзадачтребующихцелостногоивсеобъемлющегоизученияводородсодержащих материалов, а также создание покрытий защищающих отпроникновения водорода внутрь конструкционных материалов [1].

Проблемаводорода в металлах и сплавах постоянно находится в центре вниманияширокого круга исследователей физиков, химиков, металлургов и др. Интереск этой проблеме из года в год растет. Водород, растворяясь в металлах в ходеплавки, разливки, при электрохимических, ядерных и иных процессах,является одной из причин появления дефектов, трещин, ухудшенияпластических свойств металлов, приводящих к разрушению изделий.

Кнаиболее важным относится водородное охрупчивание конструкционныхматериалов ядерных реакторов и воздействие дейтерий-тритиевой плазмы настенки термоядерного реактора [2].Циркониевыесплавы,благодарямаломусечениюпоглощениятепловых нейтронов, высокой стойкости к коррозии, хорошим механическимсвойствам и лёгкости обработки являются основным конструкционным7материалом для элементов активной зоны и тепловыделяющих систематомных энергетических реакторов [3].

Одним из важных требований кматериалам активной зоны реакторов является низкое поглощение водорода.Всеизделияобусловленныепослеизготовленияспособомимеютпроизводстваитехнологическиедопускаемыедефекты,Техническимиусловиями, которым эти изделия должны удовлетворять, а также дефекты,возникающие в процессе эксплуатации изделий в реакторе. В вершине дефектаобразуются напряжения. Также в изделиях после изготовления могутсохраняться остаточные напряжения, достигающие в определенных участкахэтих изделий значительных величин.

Кроме того, изделия активной зоны впроцессеработывреактореиспытываютвоздействиеразличныхэксплуатационных напряжений Наводороживание приводит к снижениюпластичности и трещиностойкости сплавов, а выделение хрупких гидридов взонах концентрации напряжений может стать причиной разрушения изделий.Циркониевые сплавы активно поглощают водород уже при 300 °С, образуятвёрдый раствор и гидриды ZrH и ZrH2.В реакторостроении также используются титановые сплавы в качествезамедлителя в компактных реакторах и реакторах на быстрых нейтронах, атакже материала защиты.

Принципиально лучшие ядерные свойства сплавовна основе титана обусловлены уникально низкой склонностью титана крадиационной активируемости и ее быстрым спадом (скорость спадарадиоактивности титана на порядок выше, чем у железа).Монокарбидподавляющеговольфрамабольшинстваявляетсяглавнойтвёрдыхсоставнойсплавов,частьювыпускаемыхпромышленностью в нашей стране и за рубежом. Объясняется этот фактуникальными свойствами WC: сочетанием высокой твёрдости с высокойпластичностью.Данныеоколичествеводородавматериалахиспособынеразрушающего контроля позволят оценить время безопасной эксплуатации исоздать защитные покрытия для увеличения срока службы изделий.8Различные металлы и сплавы способны накапливать и хранитьводород, что актуально в современных проблемах водородной энергетики.Перспективными материалами для долговременного хранения водородаявляются алюминий, магний, титан и углеродные нанотрубки [4]. Возможнокак применение порошков гидридов, так и твердых расплавов Al xHy, MgxHy иTixHyснанесенныминаповерхностьзащитнымипокрытиямидляпредотвращения выхода водорода.Модифицируя поверхность образца, подвергая ее химико-термической,плазменной обработке, проводя микродуговое оксидирование или наносяразличного рода покрытия, можно влиять на поглощение и выделениеводорода, а сравнивая характеристики при одних и тех же условиях, делатьвыводобэффективностинеразрушающиеметодикиметодаобработки.исследования,модифицируемые поверхностиПоэтомукоторыенеобходимыспособныизучатьводородосодержащих материалов.