Плутоний Фундаментальные проблемы Том 2 - Надыкто Б.А.
Скачать (прямая ссылка):
Рис. 13. Дислокационная структура гцк металлов
Дислокации являются одной из основных составляющих в микроструктуре материала. Плотность этих линейных дефектов обычно находится в пределах от 106 до 1012 дисл./см2. Сформировавшись в процессе затвердевания или деформации, они легко самоорганизуются, снижая полную энергию системы и образуя субструктуру внутри кристалла или зерен поликристалла. Приведенные примеры показывают, что дислокации образуются и перестраиваются в процессе холодной обработки и при последующем отжиге. Контраст, создаваемый дислокациями, лучше всего просматривать в электронных лучах. Их можно наблюдать в виде темных линий с помощью просвечивающего электронного микроскопа, (а) Отдельные дислокации и дислокационные сплетения в виде “жгутов” появляются в меди, деформированной при 77 К. (б) Дислокации образуют стенки ячеек при более высокой степени деформации меди при комнатной температуре, (в) Технически чистый алюминий характеризуется еще более высокой степенью организации дислокаций в процессе мощной деформации при комнатной температуре, когда формируются четко выраженные стенки ячеек (образец был прокатан вхолодную на 83% при комнатной температуре; ячейки вытянуты в направлении прокатки), (г) В процессе отжига при 440 0C в технически чистом алюминии происходит рекристаллизация или образуются новые, практически свободные от напряжений зерна, на что указывают большеугловые границы зерен. C правой стороны зерна видны также дислокационные ячейки или субзерна.
Рис. 13(a) и 13 (б) воспроизведены из книги Физическое металловедение (Physical Metallurgy) под редакцией Р. У. Кана и П. Хаасена, 1996, с. 3 с разрешения Elsevier Science. Рис. 13(в) и 13 (г) любезно предоставлены М. Г. Стаутом из Лос-Аламосской национальной лаборатории
“Упаковка атомов и системы скольжения в металлах” на с. 310), но при этом следует учитывать, что идеальные структуры в технических материалах в большинстве случаев ограничены очень небольшими микроскопически-
ми областями. Иначе говоря, между макроскопическим масштабом механики сплошной среды и атомным масштабом кристаллических решеток существует еще один масштаб - масштаб микроструктуры, которая определяется свой-
Number 26 2000 Los Alamos Science
307
Плутоний и его сплавы
(а) Образование вакансии
О
(б) Миграция вакансии
Рис. 14. Вакансионный механизм диффузии и сильная зависимость металлургических свойств от гомологической температуры
(а) Вакансия в кристаллической решетке образуется при переходе атома из внутреннего узла решетки на поверхность. Равновесная концентрация вакансий составляет nv/n0 = exp(-0F//rBT), где Of - энергия активации образования вакансии, (б) Вакансии мигрируют по кристаллу по мере перескока атомов в вакантные узлы решетки. Число перескоков на атом составляет ra = nyln^\exp(-QmlkBT), где Om - энергия активации миграции вакансии. Отметим, что формирование вакансий и их миграция сильно зависят от гомологической температуры, а не от абсолютной. Например, в меди при температуре 1350 К (на 6 К ниже температуры плавления меди или TITun = ~1,0) равновесная концентрация вакансий составляет 10_3, частота перескоков равна 109/с, а среднее расстояние между вакансиями составляет 10 атомов, тогда как при комнатной температуре (TITun = 0,25) концентрация вакансий уменьшается до 4,5-10-15, частота перескоков - до IO-6Zc, а вакансии удалены друг от друга на расстояние ~105 атомов. В свинце при комнатной температуре (TITun = -0,5) частота перескоков вакансий составляет 22/с и вакансии находятся на расстоянии около 100 атомов
ствами отдельных зерен, кристаллическими дефектами и взаимодействием между ними. Примеры микроструктур и субструктура дефектов приведены на рис. 13.
Для большинства технологически важных материалов, особенно конструкционных, микроструктура определяет технические свойства. Поэтому основными свойствами, которые имеют реальное значение для специалистов, работающих с плутонием, являются те, которые оказывают наибольшее влияние на микроструктуру: кристаллическая структура, температура плавления и фазовая стабильность.
Кристаллическая структура. Внутренняя энергия металлов зависит прежде всего от их атомных объемов. Различия в энергии, обусловленные разным типом структуры, как правило, очень малы. Например, в натрии теплота превращения оцк структуры в гпу структуру при 36 К составляет лишь тысячные доли от полной энергии связи. Однако
кристаллическая структура оказывает определяющее влияние на свойства металлов.
Связи в металлах характеризуются слабой направленностью, поскольку электроны проводимости, удерживающие атомы вместе, распределены по всей кристаллической решетке. Поэтому атомы в металлах имеют тенденцию к однородной упаковке, оставляя минимум свободного пространства. Действительно, при затвердевании металлы образуют плотноупакованные гцк и гпу структуры, а также близкую к плотноу-пакованным оцк структуру (см. вставку “Упаковка атомов и системы скольжения в металлах” на с. 310). В основном состоянии 53 элемента до плутония (элемент 94) имеют гцк или гпу плот-ноупакованные структуры, а 23 элемента имеют оцк структуры. Если считать тетрагональную структуру близкой к плотноупакованным, то все металлы в периодической таблице, кроме четырех, существуют в одной из этих четырех простых кристаллических структур.
