Плутоний Фундаментальные проблемы Том 2 - Надыкто Б.А.
Скачать (прямая ссылка):
Основная кристаллическая структура по-разному определяет макроскопические структурные свойства металлов. Как показано на с. 310, 311, кристаллическая структура определяет действующие плоскости скольжения, так же как и природу дефектов кристаллической решетки, а эти дефекты контролируют прочность материала и большинство других структурных свойств. Например, пластическая деформация, проходящая путем скольжения, неоднородна при скольжении плоскостей всей решетки относительно друг друга. Ho она значительно облегчается за счет перемещения линейных дефектов, известных как дислокации (см. рис. 4 в статье “Механические свойства плутония и его сплавов” на с. 343).
Образование и движение точечных дефектов, таких как вакансии в решетке, также определяются кристаллической структурой. Далее мы покажем, что миграция вакансий является основным механизмом объемной диффузии в металлах. Поскольку релаксация атомов вокруг вакансии контролируется координацией атомов и прочностью связей, процесс миграции вакансий легче проходит в оцк структуре, чем в плот-ноупакованных структурах, и поэтому в оцк решетке диффузия происходит быстрее. С другой стороны, в плотноупа-кованных структурах значительно легче образуются вакансии.
Кристаллическая структура также оказывает непосредственное влияние на характер тепловых колебаний решетки и, следовательно, на вибрационную энтропию кристаллов. При высоких температурах вклад энтропии в свободную энергию может стать очень большим и таким образом оказывать доминирующее влияние на фазовую стабильность. Например, из-за меньшего числа ближайших соседей по сравнению с плотноупакованными металлами оцк решетка характеризуется более низкой частотой и более высокой энтропией колебаний (или высоким уровнем неопределенности расположения в решетке), чем другие кристаллические структуры. Действительно, оцк решетка - это структура с минимальной свободной энергией при высоких температурах. Поэтому большинство металлов плавится из оцк структур.
308
Los Alamos Science Number 26 2000
Плутоний и его сплавы
Гомологическая температура
Рис. 15. Скорость самодиффузии, точка плавления и кристаллическая структура
Шерби и Симнад (1961) показали, что скорость самодиффузии в металлах определяется общей формулой D = D0exp(—А7(777"пл), в которой используется гомологическая температура TlTnn. Существует также зависимость от кристаллической структуры: открытые оцк структуры характеризуются более высокой скоростью диффузии, чем плотноупакованные кубические и алмазоподобные структуры. Ha рисунке представлены лишь общие тенденции. K приведенной выше информации можно обращаться для получения данных по металлам с оцк решеткой - у-урану, натрию, а-железу, литию, ниобию, (3-титану, хрому, танталу и |3-цирконию; металлам с гпу структурой - магнию, цинку, кадмию, а-титану, (/.-цирконию, (3-урану со сложной гексагональной структурой; металлам с гцк решеткой - платине, золоту, серебру, меди, |3-кобальту, у-железу, никелю, свинцу и индию с гцт структурой; металлам со структурой алмаза - германию, |3-олову со сложной оцт структурой. При высоких температурах несколько оцк элементов, таких как |3-цирконий и -плутоний, имеют аномально высокую скорость самодиффузии, что выпадает из общих тенденций
Теперь должно быть очевидно, что фазовые изменения плутония более чем досадны, поскольку сопровождающие их изменения кристаллической решетки оказывают сильнейшее влияние на структурные свойства. В частности, при низких и не очень высоких температурах низкосимметричные а-, |3- и у-фазы становятся стабильными в отличие от высокосимметричных пластичных структур, свойственных большинству металлов.
Точка плавления. Точка плавления означает конец устойчивости твердой фазы, т. е. это температура, при которой свободная энергия жидкой фазы становится ниже энергии твердой фазы (или твердых аллотропических фаз). Хотя жидкие металлы характеризуются конечным модулем упругости и многими другими особенностями, свойственными металлам, они не имеют сдвиговых напряжений. (Тем не менее в них существует внутреннее трение, называемое вязкостью.) По некоторым теориям, например Линдемана (Lawson et
al. 1996), плавление происходит, когда амплитуда атомных колебаний достигает значения, соответствующего критической доли от расстояния между атомами. Как правило, она составляет одну десятую часть. По другим теориям плавление связано с критической плотностью подвижных вакансий.
Плавление представляет интерес для металлургов не только потому, что означает конец устойчивости твердой фазы, но еще и потому, что косвенно влияет на многие процессы, представляющие технический интерес. Так, многие процессы, которые влияют на формирование и эволюцию микроструктур, описываются температурной зависимостью Аррениуса R = RQQxp(-Q/kBT), где Q - энергия активации процесса, a Rq - постоянная. При средних значениях температуры процессы активируются тепловой энергией, то есть тепловые колебания помогают преодолевать активационные барьеры, но при повышении температуры (обычно до половины температуры плавления) доминирующую роль в раз-
