Плутоний Фундаментальные проблемы Том 2 - Надыкто Б.А.
Скачать (прямая ссылка):
Мы также изучили вероятность вызванного гидростатическим растяжением превращения a-фазы в 6-фазу, экстраполируя границы аллотропических фаз плутония на диаграмме давление-температура в область отрицательного давления. В неопубликованной работе Роберта Малфорда из Лос-Аламоса установлено, что при комнатной температуре а-плутоний будет превращаться в 6-фазу при напряжении -3,6 кбар (365 МПа), как показано на рис. 12(в). Компонент гидростатического растягивающего напряжения в вершине трещины может достигать значения, втрое превышающего прилагаемое растягивающее напряжение. Поскольку прилагаемое напряжение ограничено пределом прочности на растяжение вещества (350-500 МПа для а-плутония), вполне вероятно, что компонент гидростатического растяжения в вершине трещины превысит предполагаемые 365 МПа, необходимые для превращения а- в 6-плутоний. Интересно, что согласно расчетам зонной структуры, проведенным Уилсом и Эриксоном (см. статью “Свойства актиноидов в основном состоянии” на с. 131), в отсутствие напряжений в очень тонком слое у свободной поверхности а-плутоний также превращается в 6-фазу.
В литых Pu-Al и Pu-Ga 6-фазных сплавах, содержащих значительное количество сохранившейся в результате дендритной ликвации (сегрегации) а-фазы, мы также обнаружили вызванное деформацией а^б превращение. Разрушение при растяжении такого двухфазного (а+6) сплава приводит к образованию в области a-фазы тонких слоев 6-фазы (показано на рис. 13). В результате такого превращения и сопровождающей его пластической деформации вершина трещины затуплялась, создавая дополнительное сопротивление разрушению. Совокупность приведенных данных, несомненно, свидетельствует о том, что при достаточном гидростатическом растяжении a-фаза переходит в 6-фазу и оказывает значительное влияние на механические свойства.
В то же время хорошо известно, что в условиях гидростатического давления сплавы 6-плутония легко превращаются в a-фазу по механизму мартенситного превращения (см. статью “Плутоний и его сплавы”). Для большинства материалов наиболее эффективное воздействие для прохождения мартенситных превращений оказывают напряжения сдвига и пластическая деформация в отличие от гидростатического давления, но б^а' превращение в сплавах плутония определяется прежде всего гидростатическим компонентом. Например, деформация сплава Pu + 2 ат. % Al при комнатной температуре в условиях одноосного сжатия не приводит к образованию а'-фазы даже при таких больших деформациях, как 0,7. Напряжение в 6-фазе, или максимальное гидростатическое давление (1/3 одноосного сжимающего напряжения), при таких больших деформациях составляет всего -50 МПа, в то время как гидростатическое давление, необходимое для фазового превращения этого сплава при комнатной температуре ближе к 250 МПа. Роббинс с сотрудниками в Ливермор-ской национальной лаборатории им. Лоуренса и мы, в Лос-Аламосе, также деформировали Pu-Ga сплавы до очень больших значений (порядка 10 - т. е. на 1000%) путем кручения (чистый сдвиг без сжимающей компоненты), при этом вызванного деформацией превращения 6-фазы в а'-фазу обнаружено не было. С другой стороны, в процессе холодной
прокатки заготовок плутония до тонкого листа возможно частичное превращение 6- в а'-фазу, поскольку в этом случае в значительном количестве имеется компонент гидростатического давления и прочность 6-фазы в результате динамического упрочнения существенно повышается. Превращение 6-фазы в а'-фазу облегчается при понижении температуры или при понижении концентрации легирующего элемента в сплавах. Например, в 6-фазных сплавах Pu + 3,4 ат. % Ga превращение в а-фазу при одноосном сжатии и комнатной температуре не будет проходить, но оно легко проходит при 77 К.
Оказывается, что наиболее эффективным типом напряжений, способствующим мартенситному б^а' превращению, является гидростатическое давление, а пластическая деформация в лучшем случае играет минимальную роль в образовании наиболее благоприятных центров зарождения для такого превращения. Следовательно, в плутонии при превращении доминирует гидростатическое (объемное) напряжение, а не сдвиговое напряжение или деформация, как это происходит во многих сплавах на основе железа. В случае гидростатического растяжения предпочтительным является а^б превращение, а для гидростатического сжатия - обратный процесс (б^а).
В заключение кратко остановимся на упрочнении малолегированных 6-фаз-ных сплавов плутония. В этом случае вызванное напряжениями б^а превращение обеспечивает даже более эффективный механизм упрочнения, чем деформационное упрочнение, поскольку в этом случае сеть твердых а-фаз-ных пластинок распространяется по всей исходной 6-фазе. Кроме того, легирующие добавки, такие как алюминий, галлий, кремний, скандий, церий и америций, умеренно упрочняют 6-фазу. Другие элементы, которые не растворяются в 6-фазе, совершенно неэффективны. Такие элементы, как углерод, кислород, азот и водород, образуют относительно крупные (размером в несколько микрометров) включения, которые не препятствуют скольжению дислокаций. Аналогично элементы, образующие эвтектики, - железо, никель и марганец - образуют очень крупные
