Плутоний Фундаментальные проблемы Том 2 - Надыкто Б.А.
Скачать (прямая ссылка):
Приведенные экспериментальные результаты показывают, что при соответствующих температурах, скорости деформации и микроструктуре а- и |3-фазы плутония могут быть очень пластичными, хотя обычно моноклинные структуры являются хрупкими. Фактически можно достичь состояния сверхпластичности. Удивительное влияние скорости деформации и высокая пластическая деформация у плутония при комнатных температурах могут показаться странными, если не учитывать, что эффективная гомологическая температура для а-плутония при комнатной температуре на самом деле составляет 0,53, а не 0,32, как получается в расчетах на основании фактической температуры плавления плутония 913 К (см. статью “Плутоний и его сплавы” на с. 292). В этом отношении результаты по а-плутонию согласуются с данными для других металлов, которые
показывают, что зернограничное проскальзывание, диффузионное течение и динамическая рекристаллизация проходят только при температурах выше половины температуры плавления.
Превращения под действием напряжений или деформаций. Другим интереснейшим аспектом механического поведения плутония и его сплавов является сильная взаимосвязь между напряжением (или деформацией) и превращением. Давайте сначала посмотрим там, где это можно было меньше всего ожидать, - в а-плутонии. В условиях повышенного давления a-фаза сохраняет в широком интервале температур хорошо известную при комнатной температуре стабильность. Однако, когда мы исследовали поверхность изломов обычного поликристаллического а-плутония (с размером зерна 50 мкм), мы обнаружили признаки новой нестабильности. Образец показал очень небольшую пластическую деформацию (< 0,1%) в процессе разрушения при растяжении при комнатной температу-
Number 26 2000 Los Alamos Science
353
Механические свойства плутония и его сплавов
-2 0 2
Давление (кбар)
Рис. 12. Доказательство а^§ превращения в процессе гидростатического растяжения
(а) Типичный поликристаллический а-плутоний, испытанный при растяжении при комнатной температуре, макроскопически хрупко разрушается с очень небольшим поглощением энергии, но с признаками микроскопической пластичности. Поверхность излома с “пластичными ямками” на микрофотографии очень похожа на расслоенный сэндвич с прослойкой из арахисового масла. Этот снимок получен на сканирующем электронном микроскопе, (б) На этой схеме показано, как поле напряжений в вершине распространяющейся трещины создает состояние трехосного растяжения, которое может достигать уровней, втрое превышающих прилагаемое одноосное напряжение, (в) Роберт Малфорд из Лос-Аламоса расширил границы метастабильной 5-фазы в область a-фазы за счет гидростатического растяжения (отрицательного давления) и показал (в неопубликованной работе), что при комнатной температуре a-фаза становится неустойчивой и переходит в 6-фазу при ~ -3,6 кбар (365 МПа), (г) На поверхности макроскопически хрупкого образца а-плутония, разрушившегося при кручении (сдвиге), видны фасетки сколов, свидетельствующие о микроскопически хрупком разрушении. Гидростатического растяжения при разрушении при сдвиге нет, и мы обнаруживаем типичную поверхность хрупкого разрушения без признаков превращения а- в 5-фазу, которое выявлено на рис. (а)
ре. Разрыв при растяжении выглядел макроскопически хрупким, и, как ожидали, образец разрушился в сечении, перпендикулярном направлению приложенного напряжения. Мы были изумлены (до такой степени, что даже подумали, что перепутали образцы), когда при исследовании поверхности излома в электронном микроскопе выявили пластичные ямки (рис. 12(a)). Хотя ямки были очень небольшими, что свидетельствует об ограниченной области пласти-
ческого течения, они, несомненно, были пластическими.
Обобщенная фазовая диаграмма неп-туний-плутоний-америций (см. рис. 18 в статье “Плутоний и его сплавы” на с. 292) дает ключ к решению этой загадки. Добавка нептуния повышает устойчивость a-фазы, тогда как америций расширяет область 6-фазы и делает a-фазу неустойчивой. Поэтому добавка нептуния к плутонию имитирует приложение гидростатического давления
и разумно предположить, что добавка америция даст эффект приложения “отрицательного” давления (гидростатического растяжения). Следовательно, гидростатическое растяжение может способствовать превращению а- в 6-фазу, но гидростатического растяжения достичь трудно - кроме как в поле напряжений вблизи вершины трещины, показанной на рис. 12(6). Наше первоначальное предположение о том, что а-фаза превращается в 6-фазу непосред-
354
Los Alamos Science Number 26 2000
Механические свойства плутония и его сплавов
ственно перед вершиной трещины по мере распространения хрупкой трещины, оказалось вполне правдоподобным при более строгом анализе, проведенном Адлером и др. (1992). В 6-слое по мере его пластического разрушения поглощается мало энергии, поскольку 6-слой очень тонкий, и разрушение выглядит как макроскопически хрупкое. Более того, после прохождения вершины трещины гидростатическое растяжение исчезает и на поверхности проходит обратное б^а превращение, уничтожая свидетельства существования 6-фазы плутония. Действительно, исследование разрушенной поверхности выявляет только a-фазу плутония. Эту гипотезу можно косвенно проверить, например, путем разрушения а-плутония кручением, которое не создает гидростатического растяжения. Особенности хрупкого скола, видные на электронно-микро-скопическом снимке образца после кручения (см. рис. 12(b)), подтверждают нашу гипотезу.
