Плутоний Фундаментальные проблемы Том 2 - Надыкто Б.А.
Скачать (прямая ссылка):
ной моноклинной решетки. Плутоний допускает более типичные симметричные структуры только при повышении температуры или при соответствующем легировании.
Изменение модулей упругости в зависимости от направления в кристаллической решетке дает важную информацию об электростатических силах сцепления - равновесии между силами притяжения, действующими на больших расстояниях, и силами отталкивания, преобладающими на малых расстояниях. Направленность модулей упругости частично усредняется в по-ликристаллических образцах, состоящих из различно ориентированных зерен. По этой причине измерение модулей упругости следует производить на монокристаллах высокого качества. К сожалению, из-за многочисленных фазовых превращений в плутонии выращивать кристаллы чрезвычайно трудно, и проведено совсем немного исследований на монокристаллах из
а-плутония и 6-фазных сплавах плутония (см. статью “Изготовление монокристаллов стабилизированного галлием плутония” на с. 228).
Хотя в 60-е годы было выращено несколько монокристаллов а-плутония (Liptai, Friddle 1970), константы упругости систематически не исследовались. Немногочисленные данные по измерениям модуля упругости, проведенные Лип-теем и Фриделем в процессе исследований кривых деформации, о которых будет сообщено далее, показали, что модуль упругости в зависимости от кристаллографической ориентации изменяется более чем в 2 раза. Модуль Юнга (средняя константа упругости при одноосном растяжении) поликристаллического а-плутония почти вдвое больше модуля Юнга 6-фазного сплава (см. рис. 2). Ho даже поликристаллический а-плутоний не считается очень жестким; его модуль Юнга примерно такой же, как у титана и составляет лишь половину модуля Юнга сталей. Спла-
Number 26 2000 Los Alamos Science
341
Механические свойства плутония и его сплавов
Рис. 3. Результаты определения модуля упругости монокристалла 5-фазы плутония
Результаты измерений скорости ультразвука на монокристаллах Pu—3,4 ат. % Ga в 5-фазе, о которых сообщают Момент и Ледбеттер (1976), показывают поразительную анизотропию - кристаллы являются очень жесткими при растяжении и сжатии и мягкими при сдвиге в направлении [111] и, наоборот, в направлении [100]. В этом случае анизотропия по Зинеру А = 2С44/(С-,- C12) очень велика по сравнению с гцк металлами, но близка к анизотропии щелочных металлов (натрия, калия и лития). Полярный график модуля Юнга в зависимости от кристаллографического направления показан на рис. (а). Каждая кривая лежит в плоскости, содержащей [001], под углом 6 от направления [100]. Полярный график, изображенный на рис. (б), показывает зависимость модуля сдвига от кристаллографического направления. На рис. (в) дана характеристика анизотропии по Зинеру для металлов с гцк структурой
вы плутония в состоянии 5-фазы очень мягкие даже по сравнению с другими гцк металлами. Например, модуль Юнга
5-фазных сплавов плутония на 40% меньше, чем у чистого алюминия. Измерения упругих констант текстурирован-ных поликристаллических материалов могут также дать некоторое указание на анизотропию свойств монокристаллов. К сожалению, нет сообщений о таких исследованиях на текстурированном по-ликристаллическом а-плутонии.
Упругие постоянные монокристаллов 5-фазных сплавов плутония обнаруживают высокую анизотропию. Была проведена лишь одна серия таких измерений при комнатной температуре (Moment, Ledbetter 1976) на небольшом монокристалле сплава Ри-3,4 ат. % Ga. Как показано на рис. 3, модули упругости в “мягком” и “жестком” направлениях различаются более чем в
5 раз - это наибольшее изменение для какого-либо из гцк металлов. К счастью, большая часть такой анизотропии модуля упругости усредняется в поликристаллах 5-фазного плутония.
В отличие от упругих постоянных, которые прямо пропорциональны силе межатомного взаимодействия, механическая прочность и пластичность металлов зависят от нее сложным образом. Текучесть металлов наблюдается при уровне напряжений, составляющих
лишь 0,01% от теоретического значения напряжений, необходимых для смещения атомов или скольжения целых групп атомов относительно друг друга. Огромное уменьшение прочности по сравнению с теоретически прогнозируемой связано с влиянием дефектов, главным образом дислокаций. С другой стороны, взаимодействие дислокаций между собой и с другими микрострук-турными дефектами значительно повышает прочность пластичных металлов за счет процесса, называемого деформационным упрочнением. В хрупких материалах пластическое течение (т. е. способность дислокаций перемещаться) сильно ограничено. Поэтому прочность таких материалов сильно уменьшается при наличии микроскопических трещин или других дефектов. Прежде чем перейти к рассмотрению некоторых аномальных свойств текучести плутония, дадим краткое описание дислокаций и двойникования как основы для понимания пластичности и деформационного упрочнения плутония.
Дислокации и двойникование
Более чем за 20 лет до того, как дислокации стали наблюдать в просвечивающем электронном микроскопе, их существование было постулировано для того, чтобы объяснить, почему наблю-