Плутоний Фундаментальные проблемы Том 2 - Надыкто Б.А.
Скачать (прямая ссылка):
И все же плутоний и его сплавы полны неожиданностей. В настоящей статье мы остановимся на некоторых из необычных механических свойств в надежде, что нам удастся возродить научный интерес к этому уникальному металлу. Кроме того, мы коснемся основной дихотомии, присущей всем конструкционным материалам, - обрат-
ной зависимости между прочностью и пластичностью. Кардинальным вопросом для всех конструкционных материалов является вопрос о том, как сделать прочные материалы более пластичными (и с большей ударной вязкостью), а пластичные материалы - более прочными. Подробный обзор обычных механических свойств плутония дан в работе Гарднера (1980), которая представляет собой справочник по механическим свойствам для инженерно-технических работников.
Возрождение интереса к основным механическим свойствам
Механические свойства важны для всех стадий производства - от получения изделий необходимой формы до механической обработки, а также для технических и динамических характеристик ядерного оружия. Плутоний является сердцем “ядерного пускового устройства” современного ядерного оружия. В течение десятилетий у нас была возможность восполнять пробелы в нашем представлении о сложном поведении плутония путем проведения испытаний ядерных зарядов под землей на испытательном полигоне Невада. Сегодня нам нужно уметь обеспечивать безопасность и надежность ядерного оружия, остающегося в арсенале США, не проводя ядерные испытания. Кроме того, нам нужно обновлять компоненты из плутония или продлевать их расчетный срок службы при отсутствии испытаний.
Сегодня инженер-производственник должен знать, как сказываются все стадии технологического процесса на эво-
люции микроструктуры, чтобы быть уверенным, что изделие из плутония в окончательном виде может служить заменой исходным проверенным компонентам современного арсенала. Изменения технологического процесса и факторов, которые вызывают эти изменения, таких как примеси, должны быть уменьшены до уровней, которые до сих пор не достигались, если мы хотим получить гарантированное качество при производстве небольшого числа зарядов. Раньше детали из плутония в системах оружия контролировались просто на основании данных химического анализа плутония, средней плотности деталей и соблюдения требуемых размеров. Сегодня мы должны понимать, как влияет микроструктура на механические свойства, чтобы прогнозировать приемлемые характеристики.
В настоящее время, в условиях отсутствия испытаний, физики и инженеры, занимающиеся решением проблем ядерного оружия, для оценки поведения используют сложные компьютерные модели и расчеты. Для компьютерных моделей требуются реалистичные модели поведения веществ, подкрепленные точными экспериментальными данными. Однако механические и динамические процессы протекают при нагрузках, которые нелегко достичь в лабораторных условиях. Поэтому модели материалов должны опираться не только на эксперимент, но и на фундаментальное представление об атомных процессах, определяющих механическое поведение плутония.
С учетом этих задач в данной работе представлено описание некоторых из необычных механических свойств, ко-
Number 26 2000 Los Alamos Science
339
Механические свойства плутония и его сплавов
Рис. 1. Кривая напряжение-деформация при растяжении для типичного пластичного металла
Испытание на растяжение является самым распространенным для определения механических свойств. Образцы в форме круглого стержня или пластины, концы которых закреплены, растягивают с постоянной скоростью (номинально, при постоянной скорости деформации) до тех пор, пока они не разрушатся. Измеряются нагрузка и удлинение образца, и строится график зависимости напряжения о (нагрузка/площадь сечения) от деформации в (удлинение образца/начальная длина). Область упругости, описываемая законом Гука (о = E-в, где E - модуль упругости, известный как модуль Юнга), линейна и обратима. Точку отклонения от линейности называют пределом упругости; от нее начинается необратимая деформация, или пластическое течение. Отклонение от линейности происходит постепенно, условный “предел текучести” металла определяют как напряжение, при котором остаточная (пластическая) деформация составляет 0,2 % от начальной длины образца. Пластическое течение выше предела упругости приводит к увеличению уровня напряжений - этот процесс называют деформационным упрочнением. На этой стадии образец равномерно деформируется, удлиняясь и утончаясь, в то время как объем остается постоянным до тех пор, пока из-за уменьшения площади поперечного сечения образца деформационное упрочнение уже не может больше происходить при продолжающемся увеличении напряжения.
В этот момент напряжение достигает максимума, называемого пределом прочности при растяжении, и образец начинает деформироваться неоднородно, образуя шейку, прежде чем вязко разрушиться. В мягких после отжига металлах с гцк структурой полная пластическая деформация непосредственно перед разрушением составляет от 20 до 50%
торые необходимо исследовать. В частности, рассмотрена аномальная пластичность а-плутония и роль превращений, вызванных напряжениями, в разрушении а-плутония, а также пластическое деформирование 6-фазных сплавов плутония. Ho сначала рассмотрим макро- и микроскопические понятия как необходимые предпосылки для обсуждения поведения плутония.
