Плутоний Фундаментальные проблемы Том 2 - Надыкто Б.А.
Скачать (прямая ссылка):
Интерес к прямому и обратному превращению a <-> |5 возобновился в связи с задачами длительного хранения плутония, особенно того его количества, которое было объявлено избыточным для оружейных программ США и России. Одной из возможных проблем является устойчивость a-фазы, а также возможные изменения объема и деформации, если в результате изменения температуры хранения случайно будет достигнута температура а^|5 превращения. Представляет также интерес 8^6 превращение, поскольку оно является ключевым в зарождении 6-фазы. Мы знаем, что это превращение является диффузионным, но для его понимания было проведено еще очень мало исследований.
Однако наиболее интересными в плутонии являются превращения в 6-фаз-ных сплавах, сохраненных при комнатной температуре введением в сплав нескольких атомных процентов алюминия или галлия. Охлаждение таких сплавов до температур ниже комнат-
ной приводит к бездиффузионному превращению в a-фазу. Аналогично приложение внешних напряжений при комнатной температуре также приводит к б^а превращению в сплавах. В обоих случаях продукт превращения представляет собой так называемую а'-фазу, поскольку она содержит атомы алюминия или галлия, захваченные моноклинной решеткой a-фазы, не имеющей растворимости этих элементов в равновесных условиях. Другие промежуточные фазы, |5 и у, часто “пропускаются” в процессе Ь^о! и обратного превращений. Остановлюсь лишь на самых интересных особенностях и проблемах мартенситных превращений в 6-фазных плутониевых сплавах.
На первый взгляд кажется, что мартенситные превращения в 6-фаз-ных плутониевых сплавах, как показано на рис. 23, должны быть похожи на хорошо исследованные процессы в стали. Предполагается, что превращение из гцк 6-фазы в моноклинную а'-фазу при охлаждении является без-диффузионным, поскольку протекает при температуре ниже комнатной, когда скорость диффузии очень низка. Аналогично ожидается, что превращения, вызванные давлением или напряжениями при комнатной температуре, являются также бездиффузионными. Однако нам известно, что 6—>а' превращение приводит не только к изменению кристаллической структуры, но и к значительному изменению электронной структуры, сопровождающемуся заметным уменьшением объема (порядка 20%). Изменения объема такого порядка наблюдали в немногих металлических системах, например в церии и олове, но они намного превышают те несколько процентов, которые характерны для большинства мартенситных превращений в стали. Лишь недавно было установлено, что 6->а' превращение может быть отнесено к мартенситному, потому что считалось невероятным, чтобы при таких больших изменениях объема могла быть сохранена неискаженной габитусная плоскость (необходимая для мартенситного механизма). Мартенситное превращение должно проходить за счет смещений и вызываться энергией деформации, возникающей, скорее, в
результате сдвиговых смещений атомов (как объяснено во вставке “Основы фазовых превращений” на с. 324), а не из-за изменений объема.
Представлю некоторые экспериментальные результаты. На рис. 23 показаны превращения, вызванные воздействием температуры и напряжениями (за счет приложения гидростатического давления), в сплаве Pu + 2 ат. % алюминия (Hecker et а1. 1982, Zukas et al. 1982). Образцы были гомогенизированы при температуре 450°С в течение 200 часов. Таким способом гцк 6-фаза была сохранена при комнатной температуре. Охлаждение и изостатическое давление приводят к небольшому сжатию, за которым следует резкое изменение длины (или сокращение объема), свидетельствующее о начале б^а' превращения. Превращение продолжалось и после завершения охлаждения или снятия давления, но с меньшей скоростью. Выдержка при температуре жидкого азота или под давлением 1 ГПа приводит лишь к незначительному увеличению продуктов превращения. При нагреве до комнатной температуры или при разгрузке после приложения давления только небольшое количество а'-фазы превращается в 6-фазу. Однако в процессе отогрева до комнатной температуры первоначально в небольшой степени проходит дополнительное превращение (благодаря релаксации напряжений от превращения в матрице 6-фазы). При комнатной температуре в условиях атмосферного давления значительная часть продукта а'-превращения сохраняется в исходной 6-фазе (что подтверждается методом рентгеновской дифракции), потому что превращение не является полностью обратимым.
а'-фаза (светлые пластины после травления на рис. 23 и при большем увеличении на рис. 24), сохранившаяся при комнатной температуре после цикла охлаждения, похожа на типичные мартенситные пластины в сталях. Они имеют линзообразную форму, строгую кристаллографическую ориентировку и заканчиваются на границах зерен или на пересечении с другими пластинами (в них существует даже центральная линия мидриба, наблюдаемая во многих сталях, как схематически показано на
330
Los Alamos Science Number 26 2000
Плутоний и его сплавы
Рис. 23. Превращения в 6-фазном сплаве плутония при воздействии температуры и давления
Сплав плутония высокой чистоты с 2 ат. % алюминия был гомогенизирован при 450 0C в течение нескольких сотен часов для получения однофазной микроструктуры гцк 5-фазы, как показано на микрофотографии вверху. Красная кривая слева показывает превращение б^а' в процессе охлаждения с относительно небольшой скоростью 1,5 °С/мин. При отогреве образца до комнатной температуры в нем сохраняется около 25 об. % с/. -фазы. На фото микроструктуры слева видны белого цвета пластины а'-фазы в темном поле исходных зерен 5-фазы. Кривая справа иллюстрирует превращение в условиях гидростатического сжатия (изостатического давления) в прессе Бриджмена, в котором в процессе нагружения измеряли изменение длины образца. Большая часть а'-фазы сохраняется, когда образец возвращается к нормальному давлению. Весь эксперимент занимает около 2 часов. Продукт превращения а'-фазы показан на микрофотографии справа. (Более подробное описание представлено в работах Хеккера и др. (1982), Зукаса и др. (1982))
