книги / Строение и свойства металлических сплавов

значительно ниже, чем на воздухе (1228 ч). Долговечность того же сплава при 704° С и напряжении 350 Мн/м2 (35 кГ/мм2) в вакууме была равна 9,1 ч, а на воздухе 7,4 ч.

Анализ рассмотренных результатов позволяет заключить, что основные различия в скорости ползучести относятся к третьей стадии процесса, тогда как на первых двух стадиях скорость практически не зависит от среды. Обычно подобное поведение сплавов при ползучести принято объяснять, исходя из предпо­ ложения о существовании в этих условиях двух конкурирующих

поверхностной энергии металла при испытании на воздухе по сравнению с таковой для вакуума. Снижение поверхностной энергии при окислении свежей поверхности трещины способству­ ет более интенсивному ее распространению и ускорению ползу­ чести. При условиях, соответствующих упрочнению материала при испытании на воздухе, преобладает насыщение объема образца кислородом, в то время как при отсутствии интенсивно­ го окисления доминирует конкурирующий процесс разупрочне­ ния. Относительная скорость обоих процессов может быть изменена соответствующим варьированием скорости деформа­ ции, температуры, давления газовой среды. Процесс упрочнения становится особенно эффективным после образования трещин на третьей стадии ползучести; это подтверждает газовый анализ образцов, показывающий, что именно в этот период наблюдается наибольшее поглощение кислорода и азота сплавом [396].

Изложенный механизм предполагает зависимость эффектов упрочнения и разупрочнения при ползучести металла от его со­ противления окислению. В связи с этим интересны результаты сравнительного изучения ползучести никеля и хромоникелевого сплава на воздухе и в вакууме, описанные в работе [403]. Сплав имел следующий состав: 19,2% Сг; 1,5% Fe; 1,4% Si; 0,47% Mn;

(при 593° С) составило 0,67 мн/м2 (5-10-6 мм рт. сг.), минималь­

экспериментальные факты можно рассматривать как свидетель­

439

ство справедливости рассмотренного механизма, основанного на существовании при ползучести двух противоположно направ­ ленных процессов упрочнения и разупрочнения материала.

Тем не менее детали этих процессов нуждаются в даль­ нейшем уточнении, так как существует ряд особенностей, кото­ рые трудно объяснить с позиций предложенной модели. Напри­ мер, известно, что вакуумное плавление, приводящее к значи­ тельно меньшему содержанию газа в металле по сравнению с другими видами кристаллизации, оказывает, как правило, бла­ гоприятное влияние на прочностные свойства металла, в том числе и при повышенных температурах. В то же время предпо­ лагаемый механизм упрочнения основан на внутреннем окислении металла.

Точно так же в рамках предложенных гипотез невозможно объяснить существование разницы между поведением металла, наблюдавшимся на воздухе и в чистом кислороде: Действитель­ но, если упрочнение обусловлено торможением дислокаций атомами кислорода, окисными частицами или поверхностными пленками, то в среде чистого кислорода следовало бы ожидать более высокой долговечности, чем на воздухе, где кислород разбавлен азотом.

В действительности же, по данным работы [400], имеет место обратное соотношение — практически при всех избранных усло­ виях испытания ползучести долговечность различных сплавов на воздухе оказалась несколько выше, чем в чистом кислороде.

Вместе с тем результаты изучения ползучести жаропрочных материалов в различных средах убедительно свидетельствуют о неправомерности прогнозирования поведения сплавов в вакууме на основании данных об их свойствах, полученных в обычных условиях при атмосферном давлении. Так, срок службы образ­ цов с надрезом из сплава инконель X при 815° С при напряжении 180 Мн/м2 (18,2 кГ/мм2) в вакууме 67 мн/м2 (5 - 10-4 мм рт. ст.) составлял менее 1/50 от срока службы на воздухе [400]. Этот факт, как и многие другие, известные в настоящее время, служит наглядным подтверждением опасности недооценки вакуумной среды при длительной эксплуатации в ней нагретых силовых деталей.

Как указывалось ранее (см. гл. IX), в условиях вакуума при повышенных температурах в сплавах, содержащих летучие компоненты, развивается процесс порообразования. Исследова­ ние сплавов меди и алюминия показало, что наличие пор, возникших при сублимации, приводит к понижению прочности сплава при комнатной температуре; одновременно понижается пластичность (табл. 44, 45).

Заметное понижение прочности наступает после появления пор, видимых в оптическом микроскопе. После продолжительной сублимации алюминиевого сплава (25 ч при 550° С) предел прочности уменьшается почти в 3 раза, а предел текучести боль-

440

Таблица 45. Механические свойства сплава А1—IWg—Zn JB-92) после суб­ лимации при 550° С

ше чем в 5 раз. Надо иметь в виду, что некоторое изменение свойств может происходить за счет изменения химического состава поверхностных слоев металла при сублимации летучих компонентов сплава.

В результате того, что при сублимации поры образуются

441

обратная зависимость: в определенном интервале температур и напряжений время до разрушения в пористых образцах больше, чем в беспористых. Кроме того, пористые образцы при испытании на воздухе обнаружили более длительную прочность, чем в ва­ кууме, а беспористые образцы, наоборот, оказались прочнее при испытании в вакууме (табл. 46, 47).

* Образец не разрушился.

442

Глава одиннадцатая

РАДИОАКТИВНОСТЬ И ПРИМЕНЕНИЕ ИЗОТОПОВ В МЕТАЛЛОВЕДЕНИИ

Элементарные частнцы • Явление радиоактивности • Некоторые возмож­ ности использования эффекта Мессбауэра ф Области применения радиоактив­ ных изотопов в качестве меченых атомов ф Авторадиографические исследова­ ния металлических сплавов ф Метод электронномикроскопической авторадио­ графии ф Исследование распределения поимесей внедрения (водорода и уг­ лерода) в металлах методом электронномикроскопической авторадиографии

Элементарные частицы

Понятие элементарной частицы имеет несколько условный смысл: элементарными они представляются, поскольку нельзя сказать, что они состоят из более простых частиц; с другой стороны, элементарные частицы, по-видимому, сами имеют сложную структуру.

В начале 30-х годов атомная физика оперировала четырьмя элементарными частицами: электрон, протон, нейтрон и фотон, с помощью которых качественно и количественно описывались основные свойства атома. Первые три частицы являются части­ цами вещества атома, фотон — единица излучения, т. е. квант электромагнитного поля.

Протон и нейтрон — нуклоны входят в состав ядра, элек­ трон — в состав атома. Все три частицы обладают массой покоя и, следовательно, энергией покоя. В движении они приобретают

где Е — энергия частицы;

т— ее масса;

с— скорость света.

При образовании из простых ядер более сложных масса уменьшается («дефект массы»). В соответствии с формулой (XI.I) это должно сопровождаться выделением энергии. Так, при образовании ядра гелия из элементарных частиц водорода масса уменьшается на 0,02859 атомных единиц, что соответствует 25,9 Мдж (6,18 • 106 кал). Выделяющаяся при образовании слож­ ного ядра энергия характеризует энергию связи ядра.

Электрон имеет наименьшую массу покоя, и она является ос­ новной единицей массы в физике субатомных частиц. Масса по­ коя электрона равна ~ 1 0 -27 г. Величина заряда электрона —

444

кристаллическим телом и, следовательно, подобно рентгеновским лучам, обладает волновыми свойствами. В атомных единицах масса и заряд протона: тр = 1836,1, а заряд +1, масса нейтрона на 0,1% больше: тп = 1838,6, а заряд равен нулю. Приведенные значения показывают, что масса почти целиком сосредоточивает­ ся в ядре, на которое приходится 99,98% массы атома. Вместе с

электрона ~ 1 0 -13 см и нуклона ~ 1 0 -13—Ю-14 см. Диаметр ато­ ма в 104—105 раз больше линейных размеров ядра или электро­ на. По сравнению с солнечной системой атом оказывается в 100 000 раз более «пустым».

Согласно квантовой механике, чем меньше размер области, в которой локализована микрочастица, тем выше энергия про­ цесса, связанного с ее движением. Так, для атомных процессов (область действия 10-8 см) энергия порядка 1 • 10-18 дж (единиц электрон-вольт), для ядерных (область действия ~10~12 см) — порядка 1 • 10~13 дж (106 эв) и для процессов, протекающих вну­

Из предыдущего ясно, что заряд ядра определяется числом протонов или, поскольку атом нейтрален, соответственно числом электронов. Это же число характеризует атомный номер z и, следовательно, положение в периодической системе элементов. При изменении числа протонов на единицу соответственно на единицу меняется номер элемента. Массовое число элемента определяется суммарным числом нуклонов — протонов и ней­ тронов: т = р + п или z + п.

При одинаковом числе протонов изменение числа нейтронов не меняет электрические характеристики атома и его химиче­ ские свойства (которые целиком определяются электрическими характеристиками), но изменяет массу. Элементы с одинаковым зарядом и разной массой называются изотопами данного эле­ мента. Обладая одинаковым зарядом, они занимают одно и то же место в периодической таблице элементов, что и следует из смысла самого термина — изотоп. Железо, например, состоит из четырех стабильных изотопов в неравных относительных долях: 26Fe54 6%; 2бРе56 91,6%; 26Fe57 2,1 %; 26Fe58 0,28%*, что и объяс­

iH2 0,015% и iH3 0%. Кроме дейтерия Н2 и трития Н3, в послед­

* Вверху справа от символа элемента указано массовое число, а внизу сле­ ва — заряд.

445

нее время обнаружен изотоп водорода с массовым числом 4: iH4 В олове содержится 8 стабильных изотопов.

Фотон в отличие от других рассмотренных частиц в со­ стоянии покоя не существует и потому не имеет массы покоя: т0 = 0, он существует в движении и при этом обладает энергией и, следовательно, массой. Хотя фотон и представляет квант электромагнитного поля, зарядом он не обладает.

Все эти рассмотренные элементарные частицы обладают собственным моментом количества движения или спином. Соот­

ориентировку вектора спин-момента частиц относительно внеш­ него поля, например +V2 — по полю, а —7г — против поля.

Частицы, значение спина которых равно 7г, подчиняются принципу запрета Паули. Согласно этому принципу, в одинако­ вом энергетическом состоянии не может находиться больше чем одна частица данного сорта (см. гл. I).

Из теории электрона, развитой Дираком, вытекало сущест­ вование электрона с положительным зарядом — позитрона. Из этой теории следовало также, что при столкновении положитель­ ного электрона с отрицательным они взаимно уничтожаются (аннигилируют), при этом возникают фотоны с эквивалентным количеством энергии. Возможен обратный процесс — при кон­ центрации в малом объеме достаточной энергии образуется пара электронов с положительным и отрицательным зарядом. Вскоре экспериментально был обнаружен позитрон (с массой, равной массе электрона, и положительным зарядом); также было под­ тверждено образование пары электрон + позитрон при энергии фотона порядка 1,6-10-13 дж (1 Мэе).

Для протона и нейтрона были теоретически предсказаны и экспериментально обнаружены античастицы — антипротон и ан­ тинейтрон.

Теория взаимодействия элементарных частиц впервые была разработана для случая электрона и фотона и объясняла пове­ дение электрона в электромагнитном поле. Согласно модели, каждый электрон непрерывно испускает и поглощает фотон. В этом пульсирующем процессе и заключается силовое взаимо­

такого типа в квантовой механике называются виртуальными. Вопрос об элементарных частицах получил дальнейшее раз­

446

массах нейтрона и протона), что эквивалентно энергии 1,266* 10-13 дж (790000 эв). Для объяснения этого расхождения Паули предположил, что при распаде выделяется еще одна частица с почти нулевой массой покоя и практически не наблю­ даемая. Она была названа нейтрино. Обычно принимают, что масса покоя этой частицы равна нулю. Во всяком случае это самый маленький из известных физических объектов. Есть ос­ нования считать, что у нейтрино имеется слабый магнитный момент, равный приблизительно 10-10 магнетонов Бора. Прони­ кающая способность его практически неограничена. Нейтрино, вылетающий при распаде нейтрона, может пройти около 1013 км толщи свинца без поглощения.

Новые частицы были открыты при рассмотрении одной из центральных проблем теории ядра — взаимодействия нуклонов. То обстоятельство, что положительно заряженные частицы суще­ ствуют в ядре совместно, показывает, что ядерные силы превос­ ходят электрические силы отталкивания. Однако по сравнению с электрическими силы взаимодействия нуклонов более коротко­ действующие и уже на расстоянии в несколько ферми (1 ферми равен 10“13 см) они быстро падают до нуля. «Радиус действия» ядерных сил обычно считается равным 1,4 ферми. На этом рас­ стоянии они спадают до Уз своей максимальной величины. На расстоянии втрое большем ядерные силы практически равны нулю. Средняя кинетическая энергия нуклона в ядре равна 4• 10-12 дж (25 Мэе), максимальная энергия отдельных нуклонов достигает 1,6• 10—11 дж (100 Мэе). В отличие от электростатиче­ ского ядерное взаимодействие обнаруживает насыщение и каж­ дый нуклон взаимодействует только с соседними нуклонами, а не со всеми.

Подобно тому, как для объяснения природы электромагнит­ ных сил успешно использованы фотоны — кванты электромагнит­ ного поля, природу ядерных сил объясняют использованием представлений о квантах ядерного поля — мезонах. Было сде­ лано предположение (Юкава) о том, что нуклоны испускают и поглощают мезоны аналогично тому, как электроны испускают и поглощают фотоны. Открытые новые частицы — пи-мезоны — подтвердили эту гипотезу. Пи-мезон имеет массу, равную 270 единицам масс электрона, он может находиться в трех со­ стояниях — с положительным, отрицательным и нулевым заря­ дом. Эмиссия мезонов (как и фотонов) — процесс виртуальный. Согласно теории, сила поля определяется частотой испускания соответствующих квантов. Ядерные силы так велики, что нукло­ ны должны испускать мезоны с большой частотой (время еди­ ничного процесса 10"23 сек). Таким образом, протон и нейтрон можно себе представить состоящими из некоторой сердцевины, окруженной пульсирующим облаком из мезонов.

С помощью рассмотренных частиц и античастиц — протона и антипротона и р~, нейтрона и антинейтрона п° и п°, мезонов

447

л- , я+ и я°,_электрона и позитрона е~ и е+, нейтрино и анти­

нейтрино v° и v° и фотона у — объясняются свойства атома и в первом приближении свойства ядра. Перечисленные 12 частиц можно разбить на четыре группы:

а) тяжелые частицы, к ним относятся нуклоны и их антича­ стицы: р+, р~, п°, п°;

б) частицы промежуточной массы — мезоны л- , я+, я0; в) легкие частицы — электрон, нейтрино и их античастицы

е~, е+; v°, v°;

г) фотон у, масса покоя которого равна нулю.

Тяжелые и легкие частицы, из которых состоит атом, имеют спин 72, а мезоны и фотоны, играющие роль квантов полей, имеют спин, равный 1

Указанные четыре группы связаны между собой тремя реак­ циями, определяющими три типа взаимодействия частиц:

первая реакция, связывающая тяжелые частицы с мезонами виртуальным процессом испускания и поглощения мезонов р, п~ н я, определяет сильное взаимодействие (ядерные силы);

вторая реакция, связывающая легкие частицы с фотоном виртуальным процессом испускания и поглощения фотонов е, у, определяет электромагнитное взаимодействие;

третья реакция, связывающая тяжелые частицы с легкими виртуальным процессом испускания и поглощения электрона и

нейтрино п°, е, vo, определяет слабое взаимодействие (р-распад). Указанные процессы отличаются по своей силе. Одним из показателей силы процесса является его частота. Процесс испу­ скания и поглощения нуклонами мезонов реализуется за Ю-23 сек (за это время световой луч успевает пройти расстоя­ ние, равное диаметру нуклона). При электромагнитном взаимо­ действии, силы которого в 137 раз слабее ядерных, процесс испускания и поглощения электроном фотона протекает за 10-21 сек. В слабом взаимодействии испускание и поглощение

электрона и антинейтрино совершается за 10~9 сек.

Существуют еще гравитационные взаимодействия — наиболее слабые из известных. Гравитационное взаимодействие протонов примерно в 1038 раз слабее ядерного, когда они находятся на расстоянии 1 ферми (10-13 см), и в 1036 раз меньше их электри­ ческого взаимодействия на любых расстояниях. Гипотетические кванты гравитационного поля (гравитоны) несут такую малую энергию, что до сих пор экспериментально не обнаружены.

Поведение частиц подчиняется всем законам физики: закону сохранения энергии, сохранения импульса и момента импульса, закону сохранения заряда. Согласно существующим представ­ лениям, полное количество электрического заряда во вселенной остается неизменным. Частица возникает в паре с античастицей, и сумма электрических зарядов частиц, вступающих в реакцию, равна сумме зарядов продуктов реакции. Из устойчивости ядер­

448