Раздел: Дом. Быт. Техника. Строительство. Сельское и приусадебное хозяйство

Меченые атомы, т. е. атомы искусственно введенные или созданные в исследуемом образце, отличаются от др. атомов того жо элемента составом ядра (изотопы) или энер- гетич.состоянием ядра (изомеры).В качестве меченых атомов используют гл. обр. радиоактивные изотопы или изомеры, удобные для регистрации благодаря их радиации, а иногда также и стабильные изотопы, обнаруживаемые масс-спектрографич. анализом. По сравнению с химич. и спектроскопич. методами исследования методом меченых атомов, в зависимости от времени полураспада применяемого радиоактивного изотопа, чувствительнее в миллионы и миллиарды раз.

Наличие радиоактивных изотопов почти всех элементов (известно ок. 1100 искусственно радиоактивных изотопов и 250 стабильных изотопов) делает метод меченых атомов весьма универсальным. Среди методов регистрации радиоактивного излучения меченых атомов широко применяются фотографич. и электрические.

Из фотографич. наибольшее распространение получили метод авторадиографии и метод счета следов. Оба они основаны на том, что радиоактивное излучение, подобно видимому свету, действует на фотографич. эмульсию, вызывая ее почернение. При электрич. методах регистрируется электрич. ток или заряд, возникающий при взаимодействии излучения с веществом (ионизация, фотоэффект и т. д.).

Метод меченых атомов успешно применяется для исследования металлов, в частности внутреннего строения металлич. сплавов и процессов, протекающих в них (распределение элементов в сплавах, диффузия и междуатомное взаимодействие, фазовый анализ), процессов трения и износа металла, для обнаружения дефектов металла, а также при изучении металлургич. процессов, технологич. операций и т. д.

Исследование распределения элементов в сплавах. Реальные металлы и сплавы по своему строению неоднородны, и процессы, ведущие к изменению структуры, имеют локальный характер.

Эффективное и прямое средство исследования однородности металлич. сплавов — метод авторадиографии. В образце сплава, содержащем радиоактивную примесь, после экспозиции и проявления возникает картина распределения примеси в сплаве (авторадиограмма).

Для получения результатов, т. е. четкого изображения с достаточно высокой разрешающей способностью, необходимо при авторадиографии обеспечить плотный и равномерный контакт между исследуемым образцом и фотоэмульсией; экспонировать тонкие образцы; исключить возможность химич. взаимодействия фотоэмульсий и металлич. образца; применять фотоэмульсии, чувствит. к радиоактивному излучению и пригодные для радиографии. Обычно применяемые эмульсионные слои отличаются малой толщиной (3—10 мк), высокой концентрацией галоидного серебра (более 80%) и малым размером зерна (0,1—0,5 мк). Для улучшения контакта между образцом и фотоэмульсией используют метод полива образца жидкой эмульсией, съемные эмульсии и др. Наиболее совершенный контакт обеспечивает разрешающую способность в — 1 мк.

Химич. неоднородность сплава может быть оценена количественно. При количественной авторадиографии используется либо метод счета следов, когда содержание радиоактивного вещества в сплаве определяется по числу следов, оставляемых в эмульсии излучением, либо метод контрастной авторадиографии, когда содержание элемента определяется измерением плотности почернения, т. е. фотометрированием радиоавтографов.

Сплавы с радиоактивными изотопами могут приготовляться различными способами. Наиболее распространено введение радиоизотопа в расплавл. металл. При использовании р-излучателей сплав становится во многих случаях достаточно активным при введении 1 мкюри изотопа на 1 кг сплава. Сплав можно сделать активным

с помощью электроосаждения радиоактивного элемента, насыщением из газовой фазы, путем испарения радиоизотопа в вакууме и осаждения его на исследуемом образце, приготовлением смеси из металлич. порошков, содержащих радиоактивные изотопы. Можно производить облучение готового образца в ядерном реакторе, что дает возможность использовать готовые изделия и радиоизотопы с очень малым периодом полураспада. На основе метода авторадиографии устанавливается химич. неоднородность в различных сплавах (железных, никелевых, алюминиевых, магниевых, титановых и др.). Методом меченых атомов исследованы процессы кристаллизации и перераспределения элементов при термич. обработке, пластич. деформации сплава, при нек-рых технологич. операциях (литье, сварке) и т. д. Результаты исследования структуры металла методом авторадиографии хорошо согласуются с результатами металлографич. анализа.

Метод авторадиографии отличается высокой чувствительностью. Так, напр., при исследовании сплава свинец — сурьма обогащение границ зерен примесью (полонием) обнаруживается уже при содержании одной стомиллионной процента последней. Присутствие к.-л. компонента одновременно в неск. фазах, но в различных концентрациях отчетливо выявляется и может быть количественно оценено.

Метод меченых атомов обнаруживается химич. неоднородность металла в пределах одной фазы, отдельных элементов структуры (различная концентрация легирующих элементов внутри кристалла и по его границам, по контуру границ зерен, внутри отдельных кристаллов).

Увеличено в 10 раз. Устранить такую неоднородность очень трудно вследствие весьма малой диффузионной подвижности вольфрама в никелевых сплавах (установлено с помощью радиоактивного изотопа вольфрама). Весьма длит, отжиг при 1200° не устраняет неоднородного распределения вольфрама и только после отжига при 1250° в течение 200 час. удается, как показали ав- торадиографич. исследования, получить достаточно однородный сплав. Неоднородное распределение обнаруживается при очень малой концентрации элемента. Напр., при содержании 0,007% Nb в никеле (предельная растворимость ниобия в никеле 6%) отчетливо видно обогащение им границ зерен

Исследование методом меченых атомов конструкционной хромистой стали (0,4% С, 2,45% Сг) показало, что хром концентрируется преимущественно по границам зерна. Устранение ликвации хрома наступает лишь после диффузионного отжига при 1300° в течение 2 час. На основе исследования был выбран оптимальный режим гомогенизации хромистой стали. Характерно, что процессы выравнивания хим. неоднородности в литых сплавах протекают существенно медленнее, чем в деформированных.

Как показали авторадиографич. исследования, примеси концентрируются преимущественно по границам зерна и в междендритных участках. Напр., сера, фосфор, олово, свинец, сурьма обогащают границы зерен никелевых и железных сплавов. Однако в случае содержания серы меньше предельной растворимости наблюдается равномерное распределение серы в никеле. Последнее подтверждает, что сера до 0,006% не увеличивает хрупкости никеля. Вместе с тем анализ авторадиограмм показал, что после холодной пластич. деформации (прокатки) и последующего диффузионного отжига (700—1200°) сера распределяется внутри отдельных кристаллов никеля неравномерно, что объясняется неравномерной диффузией, идущей предпочтительно в сильно деформированных (сжатых) зернах. Диффузионный отжиг вместо увеличения однородности приводит в нек-рых случаях к увеличению гетерогенности сплава. Так, при длит, отжиге никелевого сплава (1000°—100 час.) наблюдалось постепенное образование фосфидной сетки по границам зерен, что объясняется укрупнением зерна при отжиге и соответственно уменьшением протяженности границ зерен. Этот факт объясняет, почему после гомогенизирующего отжига иногда отмечается ухудшение механич. св-в жаропрочных сплавов.

Очень малые количества бора (менее 0,01%) оказывают весьма эффективное влияние на св-ва железных и никелевых сплавов. Установить характер распределения ничтожных количеств бора в сплавах обычным методом авторадиографии не представляется возможным вследствие того, что радиоактивный изотоп бора имеет очень малое время полураспада (0,012 сек.). Исследование решается путем использования ядерной реакции, основанной на взаимодействии медленных нейтронов с ядрами бора.

Образующиеся а-частицы в результате взаимодействия с фотоэмульсией показывают распределение бора в сплаве. На основании авторадиограмм сделан вывод, что малые количества бора (ок. 0,01%) распределяются в стали преимущественно по границам зерен.

Исследование методом авторадиографии влияния пластич. деформации показало, что этот процесс увеличивает однородность сплава, при этом процессы выравнивания состава протекают быстрее, чем в литых сплавах. При исследовании никелевых сплавов установлено, что дендритная структура может сохраняться после значительной пластич. деформации (50%), что не удается выявить обычными методами. Важное для практики значецие имеет исследование с помощью радиоактивных изотопов технологич. операций, в частности сварки.

Исследование диффузии в металлах. Диффузионное перемещение атомов представляет собой процесс, лежащий в основе многих структурных изменений, наблюдаемых в металле. Скорость фазовых превращений при термич. обработке, неравновесные состояния, в к-рых обычно находятся применяемые в эксплуатации сплавы, и устойчивость неравновесных состояний зависят от диффузионной подвижности. От подвижности атомов зависит поведение сплавов под нагрузкой и в условиях высоких темп-р.

Применение методов меченых атомов значительно расширило исследования процессов диффузии, сделав возможным непосредственное определение параметров самодиффузии, т. е. перемещения атомов элементов в собственной кристаллич. решетке без изменения концентрации. Этим методом определяется самодиффузия свинца, олова, серебра, золота, меди, железа, кобальта, никеля, хрома, молибдена, тантала, вольфрама и др. Методы определения диффузионных хар-к на основе применения меченых атомов могут быть разбиты на 2 группы. Методом деления исследуется изменение распределения радиоактивных веществ в образце в результате диффузионного отжига. Абсорбционным методом определяется уменьшение излучения, вызванного проникновением радиоактивных веществ в глубь образца. Важной хар-кой процесса диффузии является энергия активации этого процесса, к-рая в чистых металлах характеризует в определенной степени прочность между атомной связи в кристаллич. решетке.Обычно принимается, что чем больше энергия активации процессов самодиффузии и диффузии, тем выше жаропрочность металла. Напр., энергия активации самодиффузии тугоплавких металлов, как показало исследование радиоактивными изотопами, весьма значительна. Для тантала, молибдена и вольфрама она равна соответственно 110 000, 115 000 и 135 000 кал/г-атом, для железа 74 000 кал/г-атом. При 1000° коэфф. самодиффузии (D) тантала на 3 порядка меньше,чем коэфф. самодиффузии железа (10~13 и 10"10 см2/сек). При этой же темп-ре D молибдена на 8 порядков меньше, чем D никеля. Все это, в конечном счете, определяет и более высокий уровень жаропрочности тугоплавких металлов. При сопоставлении чистых металлов — никеля и молибдена — одинаковое напряжение (10 кг/мм2 в течение 100 час.) первый выдерживает при 600°, а второй при 1000°.

Значительное влияние на параметры диффузии оказывает состав сплава. Исследования с помощью метода меченых атомов показали, что диффузионная подвижность, кроме состава, зависит от структуры сплава. С помощью радиоактивных изотопов установлено, что диффузионная подвижность на поверхностях раздела между зернами значительно больше, чем в объеме зерен. Так, напр., энергия активации процесса самодиффузии серебра на поверхности кристалла, по границам зерен и внутри кристалла равна 10 300, 20 200 и 45 950 кал/г-атом соответственно, т. е. значительно меньше, чем на поверхностях раздела.

При самодиффузии олово, цинк, железо, никель, хром преимущественно перемещаются вдоль границ зерен. Такое влияние границ сохраняется до весьма высоких темп-р: для самодиффузии железа до 1200°, хрома — до 1350°. Энергия процесса самодиффузии по границам зерен значительно меньше, чем внутри зерен. На основании авторадиографического исследования эти величины соответственно равны: для железа 30 600 и 67 000 кал/г-атом\ для хрома 46 000 и 76 000 кал/г-атом. Наложение напряжений на образец во время диффузионного отжига оказывает влияние на скорость процесса.

Другой метод основан на измерении скорости обмена между двумя пластинками твердых растворов одинакового состава, один из к-рых содержит радиоактивный изотоп компонента, а другой состоит из стабильного изотопа. Скорость изменения активности пластинок зависит от упругости пара и от коэфф. диффузии в твердом растворе.

Исследование фазового состава. Метод меченых атомов может быть использован для быстрого и точного исследования состава фаз, выделенных из сплава. Поскольку радиоактивный изотоп химически идентичен стабильному изотопу исследуемого элемента, то, проследив за поведением первого, можно сделать заключение о поведении легирующего элемента.

Этот метод является развитием методов Лангмюра и Кнудсена, в к-рых измеряемыми величинами являются скорость испарения в вакууме (в 1-м случае) и поток пара, проходящего через тонкое отверстие, находящееся над зеркалом испарения. Определение количества вещества, сконденсировавшегося на мишени, с радиоактивных изотопов проще на основе химич. анализа

Исследование износа металла. Сущность разнообразных методов меченых атомов при исследовании износа сводится к следующему, В материал детали вводят радиоактивный изотоп (активируют) путем облучения в реакторе, электролиза, введения радиоактивного вещества в расплавл. металл, диффузии, метода радиоактивных вставок-свидетелей и т. д. Активность продуктов износа регистрируется, что особенно удобно при циркуляц. системе смазки, когда продукты износа уносятся с маслом, и на этом пути или в непосредств. близости от маслопровода ставят счетчик. Преимущества М.а.м. при изучении износа заключаются в быстроте, высокой чувствительности (0,0001 жг), возможности непрерывной регистрации износа (счетчик соединяют с самописцем) и исследовании его в любых условиях и при любых режимах работы. В то время как при обычных испытаниях, напр., двигателя, детали измеряют перед испытанием и после него, для чего двигатель разбирают, при этом на испытание расходуется топливо, смазка.

При исследовании М.а.м. регистрация импульсов автоматич. самописцем при помощи автоэлектронного потенциометра позволяет непрерывно записывать износ на разных режимах работы двигателя в условиях дорожных испытаний. Этим методом было обнаружено явление задержки при переходе от режима высокого износа к режиму низкого износа — период «притирки» (30—90 мин.).

При исследовании износа поверхности, покрытой защитной металлич. пленкой, покрытие активируют добавлением в элек- тролитич. ванну соответствующего изотопа. Напр.,при изучении износа хромированных поршневых колец количество хрома, перенесенного с колец на стенки цилиндра, определялось авторадиографически. Большая чувствительность метода позволяет исследовать начальные стадии износа, что важно для механизма самого явления. М.а.м. изучают износ огнеупоров в домне. При постройке доменной печи на разные глубины закладывают ампулы с у-излучением, к-рое фиксируется наружными счетчиками. По исчезновению излучения судят о разрушении кладки. С помощью радиоактивных изотопов исследуют не только износ деталей и механизмов, но и ряд др. процессов, необходимых для оценки работы машин, напр., скорость образования нагара в двигателе (в камере сгорания).

Исследование металлургических процессов. При изготовлении стали важными хар-ками являются коэфф. распределения различных элементов между металлич. фазой и шлаком и кинетика перехода элементов из одной фазы в др. С помощью радиоактивных изотопов фосфора, серы, кальция можно установить распределение этих элементов между сплавами и шлаком, определить температурную зависимость распределения, кинетику процессов дефосфоризации, установить глубину обессеривания (до 0,0001%) при использовании определенных видов шлаков, что имеет существенное значение для повышения качества металла. 

С помощью радиоактивных изотопов обнаруживаются загрязнения неметаллич. включениями, напр. включениями кальция (в шарикоподшипниковой стали), сильно снижающими срок службы шарикоподшипников. Для этой цели последовательно вносят метку кальция (Са) в «подозреваемые» источники загрязнения (шлак, футеровка тигля, сифон, футеровка ковша). Было установлено, что основным «поставщиком» неметаллич. включений оказалась футеровка ковша. Методом меченых атомов также исследуется кинетика перераспределения легирующего элемента между фазами при изотермич. распаде переохлажденного аустенита хромистой и вольфрамовой стали. Для этого применяются радиоактивные изотопы Сг51 и W185.

Радиоактивные изотопы применяются для метки различных марок стали. Для этого при плавке к стали добавляется нек-рое количество радиоактивного изотопа. С помощью у-счетчика можно определить марку сплава в течение неск. минут. Этот способ особенно важен при использовании сплавов в условиях сильно агрессивной среды, высокой темп-ры, в атомных реакторах, когда необходим тщательный контроль всех изделий.

  ИЗВЕСТЬ. Гашение извести. Гидратная известь пушонка и известковое ...

  СТРОЙМАТЕРИАЛЫ: Физические свойства и состояние строительных ...

  МЕДИЦИНА — отрасль научной и практической деятельности, основной ...