Добавил:
okley
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Курсовой проект 5 кафедра (спецы 4 курс) / 178_Физическое материаловедение_7 том
.pdf
141
Табличные данные по-
казывают, что теплоемкость
плутония непрерывно воз-
растает с увеличением
температуры. В то же время
термическое расширение
для монокристаллического
и поликристаллического
плутония сильно изменяет-
ся при переходе от одной
фазы к другой. Модифика-
ции
α, β и γ моно-
кристаллического плутония
имеют резко выраженную анизотропию коэффициента линейного
расширения, а модификации
δ и η, обладающие простыми
решетками, сжимаются при нагреве, что необычно для металлов.
Таблица 30.13
Теплофизические свойства плутония
Фаза
Удельная тепло-
емкость, Дж/кг ⋅ °С
Коэффициент термического расширения,
10
−6
К
−1
Темпера-
тура, °С
С
P
С
V
Температурная
область, °С
a[100] b[010] c[001]
Среднее
значение α
α
25 140 128 21–104 66 73 29 56
β
160 161 152 93–190 94 14 18 42
γ
225 210
−
210–310 –19,7 39,5 84,3 34,3
δ
400 227
−
320–440 –8,6
− −
–8,6
η
470 262
−
450–479 444,3
−
−1063,5
–57,9
ε − − −
490–550 36,5
− −
36,5
Жидкое
сост.
− − −
665
− − −
α
V
=
= (50±25)
Последнее обстоятельство согласно одной из теорий является
следствием непрерывного перехода при нагреве из 5f-состояния в
Рис. 30.97. Линейное термическое
расширение плутония
142
6d-состояние и возникновения сил сжатия между слоями за счет
гибридных направленных связей. Было показано, что в некоторых
температурных областях
δ- и ε-фазы сосуществуют подобно тому,
как сосуществуют два типа атомов в марганце и вольфраме. Если
атомы с различной электронной структурой сосуществуют в
пропорции, которая изменяется в зависимости от температуры, то
температурный коэффициент линейного расширения в некоторых
случаях может стать отрицательным.
Добавка легирующих элементов изменяет концентрацию и
энергию электронов в расчете на один атом плутония, что может
повлиять на знак коэффициента термического расширения
последнего. Действительно, в сплавах Pu–3 % Al
δ-фаза при всех
температурах имеет положительный температурный коэффициент.
При меньших добавках алюминия положительный знак
коэффициента сохраняется
только в нижней области
существования
α-фазы.
Теплопроводность плу-
тония является весьма
низкой для металлов, и она
почти линейно увели-
чивается с температурой
(рис. 30.98).
Рис. 30.98. Температурная зависи-
мость теплопроводности плутония
30.2.3. Механические свойства плутония
В α-фазе плутоний является высокопрочным, малопластичным
и хрупким материалом. Его низкая пластичность в значительной
степени обусловлена тем, что объемные изменения, происходящие
при охлаждении, приводят к появлению в металле внутренних
напряжений и микротрещин, которые так же снижают плотность.
В отличие от
α-фазы высокотемпературные фазы более пластич-
ны, особенно
β-фаза. Однако их механическая прочность весьма
мала (табл. 30.14).
143
Таблица 30.14
Влияние температуры на механические свойства плутония
Темпера-
тура, °С
Фаза
Предел
прочности,
МПа
Предел те-
кучести
σ
0,01
, МПа
Модуль
упругости
Е, МПа
Относи-
тельное
удлинение,
%
Поперечное
сужение,
%
–30
α
400 352 103000 0,018
−
30
α
356 225 100000 0,068
−
70
α
307 106 88000 0,43
−
100
α
244 95,1 68000 1,0
−
110
α
231 86,0 70000
− −
130
β
84,6 72,1 21000 294,0 100,0
160
β
39,3 27,6
−
570,0 100,0
180
β
25,0 18,3
−
503,2 100,0
190
β
22,9 15,5 11200 325,9 97,8
200
β
20,6 15,3 121,0 82,1
230
γ
30,9 27,0 12600 50,0 75,0
265
γ
24,2 20,3 57,2 77,0
300
γ
14,1 11,5 700 50,1 82,8
325
δ
6,3 5,5 266 67,3 98,0
30.2.4. Фазовые превращения в плутонии
Алотропические превращения. Температура плавления
плутония составляет 640 °С. Ниже этой температуры он может
находиться в шести алотропических модификациях. Данные об их
температурных областях существования, плотности и кристалли-
ческой структуре приведены в табл. 30.15.
Таблица 30.15
Аллотропические модификации плутония
Модифи-
кация
Область
существования,
°С
Тип
решетки
Число атомов
в элементар-
ной ячейке
Плот-
ность,
г/см
3
α
от –186 до + 126 Простая моноклинная 16 19,6
β
126–185 ОЦ моноклинная 34 17,70
γ
185–310 ГЦ моноклинная 8 17,14
δ
310–451 ГЦК 4 15,92
η
451–480 ГЦ тетрагональная 2 16,00
ε
480–640 ОЦК 2 16,51
144
Низкотемпературные модификации плутония обладают слож-
ными кристаллическими решетками, в то время как кристалли-
ческие решетки высокотемпературных фаз, особенно фаз
δ и ε,
обладают высокой степенью симметрии. Объемные изменения при
фазовых переходах весьма значительны и имеют разные знаки
(табл. 30.16), вследствие чего при нагреве или охлаждении металла
в нем возникают значительные напряжения.
Таблица 30.16
Объемные изменения при аллотропических превращениях плутония, %
α →
β
β
→
γ
γ
→ δ δ →
η
η
→ ε
ε → жидкость
8,9 2,4 6,7
−0,4 −3,0
0
Среди фаз плутония наименьшей плотностью обладает
δ-фаза,
что необычно для структуры с компактной упаковкой. При нагреве
низкотемпературные превращения
α β γ δ протекают с
увеличением объема, а высокотемпературные
δ → η → ε – с его
уменьшением. При плавлении объем плутония практически не
изменяется.
Превращение α β. При нагреве плутония от комнатной
температуры до температуры выше 150
°С α-фаза очень быстро
превращается в одну из высокотемпературных фаз. Однако ниже
120
°С превращение α-фазы в β-фазу происходит весьма медленно
и не начинается даже после 48 часовой выдержки при 116
°С. На
кинетику
α → β превращения вплоть до 130 °С влияют величина
зерна
α-фазы и примеси, а также форма и объем образца.
Кривые изотермического
β→α превращения имеют С-образную
форму. Максимальная скорость превращения лежит в интервале от
–20 до –40
°С. После кажущегося завершения β → α превращения
остается заметное количество
β-фазы, которое уменьшается при
понижении температуры образца до комнатной.
Скорость
β → α превращения уменьшается при предшествую-
щей пластической деформации в
β-области, увеличении размеров
образцов. При понижении температуры изотермического
β → α
превращения снижается влияние как пластической деформации,
так и продолжительности выдержки в
β-области.
145
Инкубационный период изотермического β → α превращения
уменьшается, если вначале металл испытывал превращение в
γ-области или при более высоких температурах. В то же время
гидростатическое сжатие (например, при 180
°С) сдвигает изотер-
мические кривые
β → α превращения вправо.
Превращение
β → α может происходить как диффузионным, так
и сдвиговым путем. О сдвиговом, т.е. мартенситном характере
β → α – превращения, можно судить по тому, что пластическая
деформация стабильной
β-фазы увеличивает инкубационный
период и уменьшает скорость
β → α-превращения, что характерно
для превращения мартенситного типа, когда пластическая
деформация стабильной мартенситной фазы тормозит изотермиче-
ское превращение и понижает его температуру.
Превращения β → γ. Изотермические кривые β → γ-превраще-
ния подобны кривым для
α→β-превращения. При 250 °С пре-
вращение начинается через 1–2 с и заканчивается через 20 с. При
195
°С оно протекает очень медленно: начинается через 15 мин и
заканчивается через 24 ч.
Превращение γ → β → α. Диаграмма изотермических γ → β →
→ α превращений показана на рис. 30.99.
Рис. 30.99. Диаграмма изотермического γ → β → α-превращения плутония
146
Верхние С-образные кривые соответствуют началу и концу
γ → β-превращения, а нижние кривые – началу и концу
γ → α-превращения. Скорость последнего в несколько раз выше,
чем при закалке из
β-области. Различие в скорости становится
значительно больше вблизи «носа» кривой диаграммы
изотермического
β → α-превращения, так как из рис. 30.99 видно,
что скорость образования
α-фазы не проходит через максимум.
Скорость превращения в
α-фазу увеличивается уже при 85–112 °С,
где
γ-фаза вначале переходит в β-, а затем в α-фазу.
Диаграмма изотермических
γ β α-превращений (рис. 30.100)
показывает, что хотя температуры равновесных
α β- и
β γ-превращений близки к 112 и 185 °С, практически
температуры превращений
β → α, α → β, γ → β и β → γ
составляют соответственно 80–85, 125–130, 160–170, и 200–205
°С.
Рис. 30.100. Диаграмма изотермического γ β α-превращения плутония
Превращение δ
→
γ. При быстром охлаждении процесс образо-
вания
γ-фазы почти подавляется. При охлаждении скачок на
термограмме, отвечающий
δ
→
γ-превращению, появляется при
260
±
5 °С, а при нагревании это происходит при 315 °С.
147
Остаточные фазы и микротрещины в плутонии. Все
низкотемпературные аллотропические превращения в плутонии
протекают вяло, обнаруживают значительный температурный
гистерезис и крайне чувствительны к скоростям нагрева и
охлаждения. Это обстоятельство приводит к появлению в плутонии
остаточных высокотемпературных фаз. Так, плутоний с плот-
ностью более 19,6 г/см
3
и суммарным содержанием примесей
< 0,03 % в зависимости от предшествующей обработки может
содержать при комнатной температуре до 4 % остаточных фаз. При
большей концентрации примесей в плутонии, имеющем плотность
19,2 г/см
3
, может сохраняться 10–15 % и более остаточных фаз (β
или
δ) в зависимости от предыстории металла и типа при-
сутствующих примесей.
Количество остаточных фаз в плутонии можно уменьшить
повышением температуры изотермического
β → α-превращения,
сни-жением концентрации стабилизирующих примесей, умень-
шением остаточных напряжений, термическим циклированием в
α-
фазе и применением внешнего давления.
Фазовые превращения в плутонии, протекающие с большими
объемными изменениями, которые могут иметь разные знаки,
вызывают появление в нем микротрещин. Последние являются
одним из характерных элементов микроструктуры, и их объем
может составлять от 0,1 до 2 % от объема металла.
В отливках микротрещины образуются главным образом по
границам зерен. Повышение температуры
α → β-превращения и
увеличение содержания примесей обычно усиливает образование
микротрещин. Количество и размеры микротрещин значительно
возрастают при циклических нагревах и охлаждениях металла
через температуру
α β-превращения. Образование микротрещин
происходит при степени
α → β-превращения, превышающей 50–
60 %. Гидростатическое сжатие металла до 600 МПа при 90
°С
лишь слабо уменьшает объем микротрещин.
30.2.5. Поведение плутония при циклических
изменениях температуры
При циклических нагревах и охлаждениях через температуры
фазовых превращений в плутонии образуются поры, микро – и
148
макротрещины, изменяются структура, форма и размеры образцов,
а также возможно их полное разрушение. Повреждение при
циклировании зависит от количества циклов и их температурной
амплитуды, качества металла, размера образцов и скорости
протекания фазовых превращений.
При медленном охлаждении образцов с температуры сущест-
вования β-фазы (~
2 К/мин) за один цикл могут образоваться поры,
занимающие до 3 % объема.
Термическое циклирование
между β- и α-областями плутония
с большими скоростями нагрева и
охлаждения вызывает образова-
ние трещин и разрушение образ-
цов, которое иногда происходит
после 2–4 циклов. Плотность
некоторых образцов после ЦТО
между β- и α-областями
снижается с 19,7 до 5 г/см
3
.
Наибольшее снижение плот-
ности образцов, связанное с
образованием микротрещин в
плутонии высокой чистоты, имеет
место при β → α-превращении
вблизи верхней границы α-фазы
(рис. 30.101), когда количество
остаточных фаз после циклиро-
вания мало. С другой стороны,
образование остаточных фаз
весьма значительно при темпера-
турах ниже комнатной, особенно
в первом цикле.
ЦТО плутония, не содержащего микротрещин, между
β-областью и отрицательными температурами не приводит к
образованию микротрещин. Если же металл содержит трещины, то
такое же циклирование ведет к их увеличению. В цилиндрических
образцах поры и микротрещины распределены приблизительно
равномерно, но плотность их выше вблизи центра образца.
Рис. 30.101. Влияние циклов β
α
на плотность плутония (цифры у
кривых указывают температуру, до
которой охлаждается образец в
α-фазе при циклировании)
149
Увеличение размеров образцов сопровождается ростом
количества пор и микротрещин. Это явление связано с большим
градиентом температуры в образцах, что ведет к образованию на их
поверхности более плотной и менее пластичной α-фазы, тогда как
во внутренних областях находится менее плотная β-фаза, сжатие
которой при дальнейшем β → α-превращении вызывает
разрушение образцов.
При ЦТО через γ
α-пре-
вращение абсолютные изменения
плотности меньше, чем при ЦТО
через β
α-превращение, но они
увеличиваются при понижении
температуры γ → α-превращения
(рис. 30.102). Физические по-
вреждения при температурах,
когда γ-фаза вначале превра-
щается в β-, а затем в α-фазу,
вероятно, не очень велики.
Максимальное трещинообразо-
вание происходит в результате
γ → α-превращения и последую-
щей закалки до отрицательных
температур. Физическое повре-
ждение не наблюдается при
циклах γ
β или δ γ.
Циклирование δ
α или γ α при температурах закалочной
среды − 75 °С приводит к разрушению образца после нескольких
циклов, что связано с большими различиями в атомных объемах
фаз.
Никель и железо, имеющие незначительную растворимость в
плутонии, в количестве 0,1 % снижают образование микротрещин
на 2,5 % по сравнению с нелегированным плутонием при
суммарном содержании в нем примесей ~
0,025 %. Малые добавки
алюминия (до 0,1 масс. %), которые хорошо растворяются в δ-фазе
плутония, уменьшают или даже предотвращают образование
микротрещин. В то же время некоторые элементы, такие как
углерод, могут усиливать образование микротрещин.
Рис. 30.102. Влияние циклов γ α
на плотность плутония: 1 – циклы
между 260 и 73 °С; 2 – циклы меж-
ду 260 и –75 °С
150
30.2.6. Термическая обработка плутония
Физические и механические свойства плутония зависят от
величины зерна, количества микротрещин и остаточных фаз,
которые можно варьировать, изменяя условия деформирования,
нагревания и охлаждения металла.
Возврат в деформированном
α-плутонии имеет место при
температурах ниже 25
°С. Рекристаллизация сильно деформиро-
ванного металла также проходит при необычайно низких
температурах.
Мелкозернистый металл со средней величиной зерна ~
1 мкм
получается закалкой из
ε- или δ-области до отрицательных
температур. Более крупное зерно размером 100–200 мкм
образуется в результате медленного охлаждения из этих областей
через
γ- и β-области и превращения в α-фазу при 70–80 °С. Однако
при такой термообработке металл содержит большее количество
микротрещин. Относительно однородная величина зерна по-
лучается при нагревании металла до
ε-области, тогда как после
нагревания до
β-области структура состоит из весьма неравно-
мерных по размеру и форме зерен. Плутоний с размером зерна
менее 5 мкм чрезвычайно хрупок и обладает весьма низкой
вязкостью разрушения. Твердость
α-фазы слабо зависит от оконча-
тельной микроструктуры.
При закалке
δ-фазы процесс образования γ-фазы почти
подавляется. При охлаждении скачок на термограмме, отвечающий
δ
→
γ-превращению, появляется при 260
±
5 °С, а при нагревании
это происходит при 350
°С.
30.2.7. Коррозия плутония
По своим коррозионным свойствам плутоний во многом
подобен урану, однако он химически более активен, имеет более
высокую реакционную способность и меньшую устойчивость
против коррозии. В результате окисления плутония обычно
образуется PuO
2
, хотя могут присутствовать в значительном
количестве низшие оксиды – PuO и Pu
2
O
3
. Среди продуктов
коррозии обнаруживаются также гидрид и гидроокись плутония.
Соседние файлы в папке Курсовой проект 5 кафедра (спецы 4 курс)