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
41
30.1.3. Механические свойства урана
Металлический уран обладает невысокими механическими
свойствами. В α-фазе он малопластичен, сравнительно трудно об-
рабатывается и на его механические свойства сильно влияют тем-
пература, предшествующая обработка, а также наличие примесей.
β-Фаза урана имеет низкую пластичность, тогда как в γ-фазе уран
весьма пластичен и легко деформируется. Однако высокая химиче-
ская активность урана при температурах существования γ-фазы
сильно затрудняет все виды его обработки давлением.
Упругие свойства. Монокристаллический уран обладает силь-
ной анизотропией упругих свойств. Для него модуль Юнга макси-
мален в плоскости (100) в направлении, составляющем угол ~ 3° с
направлением [001], и минимален в направлении [010]. При нагре-
ве монокристалла выше 575 °С минимальное значение модуля Юн-
га имеет другое направление, лежащее в плоскости (010) и состав-
ляющее угол в 45° с направлением [100].
В области температур (37 ± 2 К), где имеется аномальное изме-
нение других свойств, обнаружено также аномальное изменение
упругих постоянных монокристаллического α-U. Предполагается,
что это явление обусловлено аллотропическим превращением α-
фазы в фазу α
0
. Структура этих фаз различается незначительно, а
зерна фазы α
0
когерентны матричной фазе.
Упругие характеристики поликристаллического α-урана зависят
от предшествующей обработки образцов. Для любого урана при
комнатной температуре средние значения модуля Юнга Е и модуля
сдвига G равны соответственно 205 и 83,4 ГПа, а коэффициент
Пуассона ν составляет 0,23. В то же время для закаленного из
β-фазы урана эти значения равны E = 175 ГПа, G = 70 ГПа,
ν = 0,25.
Температурная зависимость модуля Юнга для поликристалли-
ческого урана показана на рис. 30.8. С ростом температуры он
уменьшается почти пропорционально температуре, а выше ~
650 °С
резко убывает, что связано, по-видимому, с вязко-пластичным по-
ведением урана.
Механические свойства урана зависят от чистоты, содержания и
характера примесей, а также состояния металла. При комнатной
42
температуре существенное влияние на механические свойства ока-
зывает углерод, изменение содержания которого от 0,01 до 0,2 %
приводит к увеличению
пределов прочности и
текучести урана при
комнатной температуре
на 40–50 %. Значитель-
но повышают прочность
урана также примеси
железа, кремния и алю-
миния.
Рис. 30.8. Зависимость модуля
упругости поликристалличе-
ского урана от температуры
Механические свойства урана в различном состоянии при ком-
натной температуре приведены в табл. 30.5. Литой уран обладает
низкими прочностными и пластическими характеристиками. По-
добные характеристики имеет уран после прокатки в γ-области с
быстрым охлаждением, а также в α-области и отожженный в
γ-области. Прочность и пластичность существенно повышаются в
результате закалки из γ- или β-фаз, а также обработки давлением в
α-фазе. Отжиг в α-фазе несколько снижает прочность. Механиче-
ские свойства сильно деформированного урана (листовой, кова-
ный) анизотропны. Так, в случае листового урана прочность вдоль
направления прокатки выше, чем поперек.
Особенностью урана, как и металлов с ОЦК решеткой, является
переход из пластичного состояния в хрупкое (резкое снижение
пластичности) при понижении температуры в интервале от +100 до
–196 °С. При этом уменьшается также предел прочности, а разру-
шение из интеркристаллитного становится транскристаллитным.
Температура перехода зависит от содержания примесей, формы и
размера зерна.
Примеси повышают температуру хрупко-вязкого перехода:
примеси железа (до 0,1 %) и алюминия (до 5 · 10
−2
%) увеличивают
её почти на 200 °С. Особенно сильно влияет на механические
свойства урана присутствие в нем водорода. Уран, содержащий
43
Таблица 30.5
Механические свойства урана
Вид обработки σ
0,2
, МПа
σ
в
, МПа
ψ, % δ, %
Литье
190
290
370
480
10
11
4
6
Горячая прокатка в γ-области
с быстрым охлаждением
250 400
−
≥ 5
Отжиг в γ-области (после прокатки
в α-области)
180 390 10 5
Закалка:
из γ-области после литья
из β-области после прокатки в α-области
из β-области после литья
460
250
460
600
580
580
6
12
8
4
9
4
Прокатка в α-области:
при 500 °С с обжатием на 25 %
при 500 °С с обжатием па 50 %
при 300 °С с обжатием на 28 %
с отжигом при 550 °C
при 500 °С с обжатием 50 %
и отжигом при 600 °С
540
600
−
220
43
630
710
980
620
600
3
3
27
12
4
9
7
35
12
7
(0,3÷0,8) · 10
−4
% водорода, переходит в хрупкое состояние при
комнатной температуре. Наиболее сильное охрупчивание отмечено
при содержании в нем 2,5 · 10
−4
% водорода. Вместе с тем, количе-
ство водорода, вызывающего охрупчивание урана, зависит от со-
держания в последнем примесей, технологии изготовления и дру-
гих факторов. Повышение содержания водорода до (12÷15) · 10
−4
%
не приводит к дальнейшему понижению свойств. Основной причи-
ной охрупчивания урана является образование сетки выделений
гидрида. Отжиг в вакууме (350
–400 °С в течение 24 ч) способствует
снижению содержания водорода и повышает пластичность урана.
Влияние температуры, скорости деформации и размеров зерен
на механические свойства урана показано на рис. 30.9. С ростом
температуры пластичность урана возрастает. При температуре
~ 350 °С и относительно высокой скорости деформации
(~
1 см/мин) наблюдается минимум пластичности, что связано с
переходом от деформации преимущественно двойникованием к
деформации преимущественно скольжением. Уменьшение скоро-
44
сти деформации до ~ 0,1÷0,003 см/мин смещает минимум пластич-
ности в сторону более низких температур (~ 200 °C). Увеличение
размеров зерен уменьшает пластичность и сдвигает ее минимум в
сторону более высоких температур. В области β-фазы пластич-
ность резко падает, а в области γ-фазы сильно возрастает.
Рис. 30.9. Влияние температуры на механические свойства урана:
1 – зерно 20 мкм, скорость деформации 167 мкм/с; 2 – зерно 20 мкм, скорость
деформации 16,7 мкм/с; 3 – зерно 20 мкм, скорость деформации 0,5 мкм/с;
4 – зерно 130 мкм, скорость деформации 16,7 мкм/с
Предел прочности на растяжение в интервале температур 20–
150 °С, в котором происходит переход их хрупкого состояния в
пластичное, слегка возрастает, а затем уменьшается с некоторым
изломом при ~ 350 °С. В β-области предел прочности несколько
увеличивается, а в γ-области становится весьма низким.
В хрупкой области деформация урана осуществляется главным
образом двойникованием. Разрушение металла идет в основном по
телу зерна: по границам двойник – матрица. Это обусловлено, по-
видимому, скоплениями дислокаций у заостренных концов двой-
ников, что приводит к образованию в этих местах трещин. С по-
вышением температуры происходит переход от транскристаллит-
ного разрушения к разрушению по границам зерен. Выше темпера-
туры хрупко-вязкого перехода разрушение становится вязким. Оно
сопровождается образованием шейки, поверхность разрушения ча-
сто имеет V-образную форму и состоит из участков либо перпен-
45
дикулярных к направлению приложенного напряжения, либо со-
ставляющих с ним угол ~ 45°. Форма и величина зерна не оказы-
вают существенного влияния ни характер разрушения урана.
Твердость урана. С повышением температуры твердость урана
быстро падает (рис. 30.10). Излом на кривой при 300–400 °С свя-
зан, с изменением ха-
рактера деформации в
этом температурном
интервале. Падает роль
двойникования и начи-
нает преобладать дис-
локационное скольже-
ние, при котором раз-
рываются ковалентные
связи. При переходе в
β-область твердость
резко возрастает, а при
переходе в γ-область –
резко падает и остается
незначительной. Де-
формация и легирова-
ние увеличивают твер-
дость урана. Закалка
урана повышает его
твердость, а высоко-
температурный отжиг –
снижает.
Термическая пол-
зучесть урана. Ползучесть урана зависит oт многих факторов, та-
ких, как температура, напряжение, термическая обработка, вид
пластической деформации, размер зерен, текстура и т.п. Было пока-
зано, что скорость ползучести урана резко возрастает с повышени-
ем температуры (выше 400 °С), что связано с разупрочнением гра-
ниц зерен. Скорость установившейся ползучести можно опреде-
лить по формуле:
()exp
R
i
ii
Q
AF
T
ε= ⋅ σ ⋅ −
, (30.1)
Рис. 30.10. Влияние температуры
на твердость урана
46
где Q
i
– энергия активации; А
i
– константа; F
i
(σ) – функция, вы-
ражающая зависимость
ε
от напряжения, которая имеет вид σ
n
при
низких напряжениях и ехр
(nσ) – при высоких.
В зависимости oт температуры и приложенного напряжения
можно предположить существование четырех различных механиз-
мов ползучести урана, области действий которых показаны на
рис. 30.11. В области I деформация вызывается двойникованием и
поперечным скольжением, в
области II механизм дефор-
мации является более слож-
ным, а в области III он не
ясен. В области IV деформа-
ция контролируется, по-
видимому, неконсерватив-
ным движением дислокаций
со ступеньками или перепол-
занием дислокаций. При тем-
пературах выше 400 °С мел-
кокристаллический закален-
ный уран деформируется
легче, чем крупнозернистый
литой или горячекатанный.
При более низких температу-
рах наблюдается обратная
картина, связанная с тем, что
деформация идет по телу зе-
рен, упрочненных закалкой.
Температурный интервал
для горячекатаного урана, в
котором наблюдается резкое
увеличение ползучести нахо-
дится в пределах 300–350 °C, а в результате закалки он сдвигается
в высокотемпературную область 350–375 °C. Наименьшую темпе-
ратуру начала ускоренной ползучести (~ 225–275 °С) имеет рекри-
сталлизованный уран. Легирование урана заметно снижает ско-
рость ползучести. Особенно эффективными в этом случае являются
добавки молибдена и хрома.
Рис. 30.11. Границы областей,
в которых проявляются различные
механизмы ползучести в α-уране
47
Механизмы деформации в α-уране. Пластическая деформация
в α-уране осуществляется за счет двойникования, скольжения и
сброса (то есть локализованного скольжения). Указанные механиз-
мы доминируют в разных температурных областях.
Основным механизмом деформации α-урана при температурах
ниже 350–400 °С является двойникование
1
. Двойникование урана в
указанной температурной области обусловлено существованием
сильных ковалентных связей, которые при двойниковании не рвут-
ся, как это имеет место при скольжении, а перестраиваются. Со-
гласно теоретическим расчетам в α-уране возможно существование
61
ой
системы двойникования. Однако экспериментальными иссле-
дованиями таких систем обнаружено значительно меньше.
Наиболее часто в α-уране встречаются двойники, имеющие
плоскость двойникования (130) и направление двойникования
[310]. Во многих случаях они являются тонкими и имеют чечеви-
цеобразную форму. С ростом температуры двойники становятся
более широкими.
Двойники в уране образуются не только вследствие деформации
металла, но и при его нагревании и охлаждении. Их появление яв-
ляется следствием релаксации внутренних напряжений в смежных
различно ориентированных кристаллах, возникающих в результате
большой анизотропии коэффициента термического расширения
кристаллов α-урана.
Двойники в уране могут иметь различный вид (рис. 30.12): ко-
роткие двойники, возникающие при одновременном действии двух
систем двойникования; пересекающиеся двойники; двойники, об-
разующиеся между двумя параллельными пластинками других
двойников и др.
При температуре деформации урана выше 350–400 °С pоль
двойникования падает, и начинает преобладать скольжение, что
связано с быстрым снижением скалывающего критического
напряжения с ростом температуры. Переходная температура, т.е.
температура изменения механизма пластической деформации, не
является постоянной и повышается с увеличением скорости де-
формации.
1
Физическое материаловедение.– М.: НИЯУ МИФИ, 2021, Т. 1. П. 4.3.11.
48
Рис. 30.12. Двойники в уране:
а
– микроструктура образца с большим количеством двойников (×200); б – две
системы двойников, образовавшихся при сжатии (×1200); в
– пересечение двой-
ников (172) и (130) (×240); г
– тройное пересечение двойников (×1050); д – пере-
сечение двойников (172) и
(172)
между двойниками
(1 1 2)
(×200)
При 500 °С и выше деформация идет только за счет скольжения.
При скольжении движение ограничено одной плоскостью или тон-
ким слоем, параллельным этой плоскости. В α-уране основной си-
стемой скольжения является система (010) [100]. Скольжение про-
исходит по плотноупакованным гофрированным слоям параллель-
но плоскости (010) в направлении плотной упаковки вдоль гофр.
Легкость такого вида скольжения объясняется тем, что силы связи
между атомами, расположенными в смежных плотноупакованных
слоях, малы, и они слабее, чем в гофрированных слоях. Эта систе-
ма скольжения является доминирующей в интервале температуры
от –196 до 600 °С. Менее важные плоскости скольжения (001),
(110) и (011) требуют разрыва ковалентных связей.
При 600 °С основной системой скольжения, которое идет с
очень малым скалывающим напряжением, становится система
(001) [100]. Изменение действующей системы скольжения связано
49
с аномальной зависимостью упругих констант α-урана от темпера-
туры, обусловленной усилением металлического характера связи с
ростом температуры.
В интервале температур
–196÷600 °С также наблюда-
ется скольжение по плоско-
стям {110}. Оно отвечает, как
и скольжение по плоскости
(010), взаимному пересечению
гофрированных плоскостей.
При низких температурах
скольжение идет вдоль
направления [001], а при высо-
ких – по <110>. В деформации
α-урана также определенную
роль играет поперечное сколь-
жение по нескольким системам
скольжения. Вначале оно проявляется в виде огрубленных следов
скольжения, а затем становятся отчетливо видны зигзагообразные
линии (рис. 30.13).
Сброс в α-уране. Под сбросом понимают сильно локализован-
ное скольжение в слое, нормальном к направлению скольжения.
При сбросе решетка вращается вокруг оси, которая лежит в плос-
кости скольжения и нормальна к направлению скольжения. В мо-
нокристаллах α-урана сброс имеет место, когда нагрузка приложе-
на к ним в направлении, неблагоприятном для скольжении и двой-
никования. На микрошлифах он проявляется в виде широких по-
лос, пересекающих линии скольжения. Последние, проходя через
полосу сброса, слегка изменяют свою ориентировку (рис. 30.14).
Полосы сброса могут образовываться как при сжатии, так и при
растяжении. В случае благоприятной для скольжения, ориентации
зерен полосы сброса не возникают.
Изучение деформации урана на сплавах системы U-Сr, в кото-
рых β-фаза фиксируется при комнатной температуре, показало, что
кристаллы β-фазы обладают некоторой пластичностью, которая
осуществляется только за счет скольжения (деформация двойнико-
ванием отсутствует).
Рис. 30.13. Поперечное
скольжение в уране (×250)
50
Рис. 30.14. Полосы излома в уране:
а – линии скольжения плоскости (010), проходящие через полосу излома (×680);
б – полосы излома в растянутом образце (образец переполирован) (×230)
Из всех фаз урана γ-фаза наиболее пластична. Она имеет все си-
стемы деформации, встречающиеся у металлов с ОЦК структурой.
Текстура деформации. Деформация поликристаллического
α-урана при обработке давлением (ковка, прессование, прокатка,
волочение и т.п.), а также некоторые виды термической обработки
(закалка с высокой скоростью охлаждения) приводят к образова-
нию в нем текстуры, т.е. преимущественной ориентации зерен.
Наличие текстуры в урановых сердечниках твэлов отрицательно
сказывается на их радиационной стабильности, что требует деталь-
ного изучения условий ее образования и разрушения. Текстура в
уране зависит от вида обработки и предшествующего состояния
металла, степени и температуры деформации, а также от вида и
концентрации легирующих элементов. Характер текстуры ослож-
няется также неоднородной степенью деформации по сечению об-
рабатываемого изделия: поверхностные слои обычно деформиру-
ются больше, чем внутренние области. Все это может приводить к
образованию многокомпонентной текстуры с несколькими видами
ориентации.
Рассмотрим некоторые примеры формирования текстуры в
уране. При ковке прутков урана в интервале температур 20–600 °С
вдоль оси прутка образуется двойная текстура (010)–(110). С уве-
личением температуры ковки первая компонента текстуры ослабе-
вает, а вторая усиливается.
Текстура прессованного уранового стержня сильно изменяется
по его длине из-за изменений температуры и деформации при
прессовании. Так, на начальной стадии прессования, когда темпе-
Соседние файлы в папке Курсовой проект 5 кафедра (спецы 4 курс)