CC BY
42
1Графутин В.И., 1Илюхин В.А., 1Илюхина О.В., 2Прокопьев Е.П., 2Тимошенков С.П.
ХФГБУ «ГНЦ РФ - ИТЭФ» НИЦ «Курчатовский институт», Москва, Россия
2
Национальный исследовательский университет «МИЭТ», Москва, Зеленоград, Россия ЭЛЕКТРОННЫЕ СВОЙСТВ ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ДАННЫХ МЕТОДА ПОЗИТРОННОЙ АННИГИЛЯЦИОННОЙ СПЕКТРОСКОПИИ
В наших работах [1-6] методами позитронной аннигиляционной спектроскопии исследовались электронная и дефектная структуры ряда чистых металлов и сплавов на их основе. Для выяснения влияния электронной структуры на макроскопические свойства чистых металлов проведено сопоставление справочных данных по электронной структуре с температурой плавления этих металлов.
Для переходных металлов наблюдается корреляция температуры плавления с числом неспаренных d-электронов. Чем больше неспаренных электронов тем выше температура плавления. Корреляции с общим числом d-электронов нет. Так у меди (3d -электроны), палладия (4d -электроны), золота (5d - электроны) оболочки с d-электронами заполнены полностью, а температуры самые низкие в своих рядах. Обращают на себя внимание технеций, вольфрам и рений. У технеция в разных справочниках приводится разная кофигурация внешней электронной оболочки 4d65s1 (4d55s2) . На наш взгляд в этом случае более правильной будет конфигурация с шестью d-электронами. Если такого рода рассуждения правильны, то у вольфрама оболочка должна быть 4f145d56S1, а у рения 4f145d66s1. Мы предположили, что неспаренные d-электроны характеризуют склонность металлов к образованию ковалентных связей, которые более сильные чем металлические связи. Процесс образования таких связей имеет вероятнее всего активационный характер. Эти свойства и определяют увеличение температуры плавления с ростом числа неспаренных d-электронов. В литературе ссылок на подобное объяснение мы не нашли. Эти эффекты также могут объяснять наличие возможных модифицированных вязко-хрупких переходов типа Иоффе-Давиденкова и др. в конструкционных материалах (металлах и сплавах) в условиях облучения их нейтронами при повышенных температурах [3] . Температура хрупко-вязкого перехода Иоффе чувствительна к содержанию примесей (особенно примесей внедрения в ОЦК металлах) и структуре материала (7) . Особо важным является хрупкое разрушение в тех случаях, когда оно происходит при достаточно высоких температурах (комнатной и выше) . Действительно, облучение металлов и сплавов нейтронами при температурах ниже 0,3 Tm , где Tm - температура плавления, повышает их прочность в результате образования радиационных нарушений и дефектов, являющихся препятствием для движения дислокаций, но при этом радиация существенно, а при больших дозах катастрофически ухудшает их деформационные и пластические свойства. Это обстоятельство (радиационная хрупкость) ограничивает эксплуатационный ресурс многих сплавов, используемых в ядерной энергетике: с ростом дозы облучения чувствительность сплавов к ударным нагрузкам возрастает.
В наших экспериментах с корпусными сталями действующих реакторов ВВЭР-440 было обнаружено, что концентрация электронов в зоне проводимости уменьшается с увеличением флюенса нейтронов. При больших флюенсах каждый атом испытывает несколько смещений и, вероятно, новая конфигурация сопровождается образований новых ковалентных связей, что возможно и приводит к увеличению температуры вязко-хрупкого перехода. В классическом хрупко-вязком переходе Иоффе такого типа явление наблюдается при понижении температуры.
Мы ввели величину
= [n(неoбл)-n(обл)]/ п(необл),
характеризующую собой степень ковалентности химической связи. Здесь п(обл) - концентрация
электронов в зоне проводимости проводимости в облученном металле, а п(необл)] - концентрация
электронов в зоне проводимости необлученного металла. На
основании экспериментальных данных работ [1,2] значение [п(необл)]= 12,6.1022 см-3 , [п(обл)]
= 8,8.1022 см’3 . Отсюда степень ковалентности химической связи составляет величину ~ 0, 3.
Выводы
Проведены исследования корпусных сталей, используемых в действующих реакторах ВВЭР-440. В исследованных образцах сталей выявлены вакансионные дефекты, в том числе вызванные нейтронным облучением, и определены их размеры. Показано, что метод позитронной аннигиляционной спектроскопии (ПАС) является одним из эффективных методов определения размеров нанообъектов (вакансий, ваканси-онных кластеров), свободных объемов пор, полостей, пустот, их концентраций и химического состава в месте аннигиляции позитронов в дефектных материалах. Установлено, что позитронная спектроскопия может с успехом применяться для исследования внутренних связей в металлах и, в частности, для исследования границ раздела кристаллитов.
ЛИТЕРАТУРА
1. В.И. Графутин, Е. П. Прокопьев, В. Крщак, Р. Бурцл, П. Хэнер, А. Земан, О. В. Илюхина, Д. Ерак, М.А. Могилевский, Г. Г. Мясищева, Ю. В. Фунтиков. Изучение конструкционных материалов активной зоны реакторов методами позитронной аннигиляционной спектроскопии. Ядерная физика. 2011, Т.74. №2. С.195-206 .
2. В.И. Графутин, Е.П.Прокопьев, Ю.В.Фунтиков . Позитронная аннигиляционная спектроскопия в ИТЭФ. Инженерная физика. Специальный выпуск. 2007. №1. С.33-39.
3. З.Р. Абдурасулев, П.У.Арифов, Н.Ю.Арутюнов, С.Н.Вассерман, А.Р.Группер, Н.Н.Емелин,
Г.И.Журавлева, П.А.Кебель, Ю.П.Кочерга, М.В.Кремков, Ф.Ли, В.М.Мальян, А.А.Пайзиев, В.А.Пикут, Е.П.Прокопьев, С.А.Скопинов, С.А.Тишин, С.В.Шевелев, А.В.Шевченко. Методы позитронной диагностики и расшифровки спектров аннигиляции позитронов. Ташкент: Изд-во «ФАН», 1985. 312 с.
4. Графутин В.И., Прокопьев Е.П., Тимошенков С.П., Фунтиков Ю.В., Позитроника и нанотехнологии: Определение размеров нанообъектов в пористых системах, наноматериалах и некоторых дефектных
материалах методом позитронной аннигиляционной спектроскопии (обзор). Заводская лаборатория. 2009. Т.75. №6. С.27-36 . http://zldm.ru/upload/iblock/53b/2 0 0 975 06 02 7.pdf
5. В.И. Графутин В.И., Прокопьев Е.П., Тимошенков С.П., Фунтиков Ю.В. Размеры и концентрации нанообъектов в облученных металлах и сплавах по данным метода позитронной аннигиляционной спектроскопии. Заводская лаборатория. 2012. Т.78. №5. С.27-34.
6. Графутин В.И., Илюхина О.В., Козлов Ю.Ф., Мешков И.Н., Мясищева Г.Г., Прокопьев Е.П., Савельев Г.И., Тимошенков С.П., Чаплыгин Ю.А., Фунтиков Ю.В., Хмелевский Н.О., Яковенко С.Л. Опре-
деление природы, концентраций и размеров нанообъектов в технически важных материалах и наноматериалах методами позитронной аннигиляционной спектроскопии. // Современные научные исследования и инновации. - Октябрь, 2012. http://web.snauka.ru/wp-content/uploads/2012/10/snauka prokop paper.pdf
7. Г.А.Малыгин. Анализ параметров хрупко-вязкого перехода при ударном нагружении облученных нейтронами металлов и сплавов с ОЦК - решеткой // ФТТ. 2006. Т.48. Вып.9. С.1622-1628. http://journals.ioffe.ru/ftt/2006/09/p1622-1628.pdf
