АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ Лектор В.С.Золоторевский 04.05.2017 Курс “Структура и

АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ Лектор В.С.Золоторевский

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 2 Содержание Общие сведения Области применения Первичный алюминий Роль примесей и легирующих элементов Основные системы легирования и классификация сплавов Cтруктура и свойства слитков и отливок Структура и свойства деформированных полуфабрикатов Промышленные алюминиевые сплавы (доклады студентов)

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 3 Учебная литература И.И. Новиков, В.С. Золоторевский, В.К. Портной и др. Металловедение, том 2. МИСиС, 2014. (Глава 15) Б.А. Колачев, В.И. Ливанов, В.И. Елагин. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. МИСиС, 2005. В.С. Золоторевский, Н.А. Белов. Металловедение цветных металлов. Раздел: Алюминиевые сплавы. МИСиС, 2000. (№ 1564). Другая литература (не менее 5 источников)

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 4 Темы докладов c презентацией Силумины Дуралюмины Магналии Жаропрочные алюминиевые сплавы Высокопрочные алюминиевые сплавы Литийсодержащие алюминиевые сплавы В докладах (20-30 минут) рассматриваются химический состав, структура и свойства промышленных сплавов, области применения

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 5 Общая характеристика алюминия и его сплавов Большие запасы (8%Al) в земной коре 1-е место среди цветных металлов по объему производства – более 30 млн т/год (15% РФ) Цена - 1500-2600 $/т (~1500 $/т) Легкость – уд.вес 2,7 г/см3 Высокая прочность (сплавов)- в до 700 МПа Высокая коррозионная стойкость Высокая электропроводность (2/3 от Cu) Высокая технологичность при всех видах обработки Возможность использования отходов

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 6 Области применения алюминия и его сплавов авиа- и ракетостроение наземный и водный транспорт машиностроение электротехника строительство упаковка (для пищи, лекарств и т.д.) бытовая техника специальные области

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 7 ПЕРВИЧНЫЙ АЛЮМИНИЙ Химический состав некоторых стандартных марок первичного алюминия (ГОСТ 11069-2001) «Вторичный алюминий» - Al-сплавы из лома и отходов

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 8 Физические свойства Al в сравнении с другими металлами Свойство Al Fe Cu Mg Ti Температура плавления, 0С 660 1539 1083 650 1652 Температура кипения, 0С 2494 2872 2595 1107 3000 Плотность, г/см3 2,7 7,86 8,9 1,738 4,5 Коэфф. терм. расш., 106* К-1 23,5 12,1 17,0 26,0 8,9 Уд. электросопр., 108* Ом*м 2,67 10,1 1,69 4,2 54 Теплопроводность, Вт*м-1*К-1 238 78,2 397 156 21,6 Теплота плавления, Дж*г-1 405 272 205 293 358 Теплота испарения, кДж*г-1 10,8 6,1 6,3 5,7 9,0 Модуль упругости, ГПа 70 220 132 44 112 У чистого Al низкая твердость - 10-15НВ, прочность в=50-70 МПа и высокая пластичность =30-45%

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 9 Основные примеси в алюминии и его сплавах Железо Кремний Fe+Si – фазы Al3Fe, Al5FeSi (β) и Al8Fe2Si (α) Цинк Медь Магний Свинец и олово Натрий Водород

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 10 ОСНОВНЫЕ БАЗОВЫЕ СИСТЕМЫ ЛЕГИРОВАНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ Al-Si, Al-Si-Mg (силумины) Al-Si-Cu-Mg (медистые силумины) Al-Cu [-Mn] (жаропрочные) Al-Mg (магналии) Al-Mg-Si (авиали) Al-Cu-Mg (дуралюмины) Al-Cu-Mg-Si (ковочные) Al-Zn-Mg (свариваемые) Al-Zn-Mg-Cu (высокопрочные) Al-Li-Cu-Mg (сверхлегкие)

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 11 Классификация легирующих элементов и примесей в промышленных алюминиевых сплавах по их влиянию на образование различных элементов структуры

Диаграмма состояния Al-Cu

Диаграмма состояния Al-Mg

Диаграмма состояния Al-Si

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 15 Характеристики диаграмм состояния эвтектического типа, образуемых алюминием с основными легирующими элементами

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 16 Характеристики двойных фазовых диаграмм алюминия с переходными металлами, присутствующими в алюминиевых сплавах в качестве примесей или легирующих элементов (см. слайд 11)

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 17 Области составов алюминиевых сплавов и их классификация по структуре 1.Сплавы типа твердых растворов (матричные) (подавляющее большинство деформируемых сплавов, а также литейные на базе систем Al–Cu, Al–Mg и Al-Zn-Mg); 2.Доэвтектические сплавы (большинство силуминов - сплавов, в которых важнейшим легирующим элементом является кремний, например типа АК7 и АК8М3, а также некоторые деформируемые сплавы, в частности типа АК4-1); 3.Эвтектические сплавы (силумины типа АК12 и АК12М2); 4.Заэвтектические сплавы (заэвтектические силумины, например АК18).

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 18 Общие особенности структуры и свойств слитков и отливок из алюминиевых сплавов

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 19 Неравновесная кристаллизация Микроструктура сплава Al-5% Cu Не Неравновесная кристаллизация – результат неполного прохождения диффузии при реальных скоростях охлаждения

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 20 Метастабильные варианты фазовых диаграмм Al-ПМ

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 21 Типичная макро- и микроструктура доэвтектических литых алюминиевых сплавов

Микроструктуры литых сплавов

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 23 ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛИТОЙ СТРУКТУРЫ 1) форма и размер кристаллитов (зерен) ; 2) форма и размер дендритных ячеек (Al); 3) состав, структура, морфология и объемная доля частиц избыточных фаз кристаллизационного происхождения 4) распределение легирующих элементов и примесей в (Al) 5) характеристики субструктуры (распределение и плотность дислокаций, размеры субзерен и дислокационных ячеек, углы их разориентировки, вторичные выделения); 6) количество, размер и распределение пор

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 24 Соотношение между размером дендритной ячейки (d) и скоростью охлаждения (Vохл) d=A V-nохл

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 25 Концентрационная граница появления неравновесной эвтектики (Ск на cлайде 20)

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 26 Объемная доля (QV) и размер (m) частиц избыточных фаз и пор QV = Cx/Ce)1/(1-К), где Сe – эвтектическая концентрация, К - коэффициент распределения (Сж/Cтв), Сx - концентрация легирующего элемента в сплаве. m = Bd, где d – размер дендритной ячейки

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 27 МОРФОЛОГИЯ ИЗБЫТОЧНЫХ ФАЗ Большое количество и разнообразие формы частиц избыточных фаз, в том числе одной и той же фазы при кристаллизации в разных условиях: 1) прожилки по границам дендритных ячеек; 2) скелеты; 3) иглы, пластины; 4) тонкодифференцированные кристаллы (внутри эвтектики) в сплавах, близких к эвтектической точке и др. С увеличением скорости охлаждения и кристаллизации размеры частиц уменьшаются

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 28 Разная морфология избыточных фаз

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 29 Модифицирование литой структуры Модифирование для измельчения первичных кристаллов Примеры модификаторов: зерна (Al) - Ti и Ti+B, первичного (Si) – Cu+P Модифицирование эвтектик Модификаторы (Si) в эвтектике: хлориды, Sr, РЗМ – изменяют форму монокристаллов, кристаллизующихся внутри эвтектических колоний

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 30 Основные Fe- и Si-содержащие фазы в алюминиевых сплавах Al3Fe, α(Al8Fe2Si), β(Al5FeSi) Al15(Fe,Mn)3Si2 Al6(Fe,Cu,Mn), Al7FeCu2 Al9FeNi Al8FeMg3Si6 Распределение легирующих элементов по сечению дендритных ячеек (Al) - слайд 23

Внутренняя структура дендритов (Al)

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 32 Изменение структуры и свойств слитков и отливок при гомогенизационном отжиге

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 33 Структурные изменения при гомогенизации и закалке 1) растворение неравновесного избытка фаз кристаллизационного происхождения; 2) устранение внутрикристаллитной ликвации легирующих элементов; 3) распад алюминиевого раствора во время изотермической выдержки с образованием алюминидов переходных металлов (в сплавах, содержащих такие добавки); 4) изменение морфологии фаз кристаллизационного происхождения, не растворимых в твердом растворе

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 34 Растворение неравновесных фаз в результате диффузии P= (Q·A·d/2) / (D·S·(B+K·Q) , где P - время полного растворения -фазы d - размер дендритной ячейки; Q - объемная доля неравновесной -фазы; S - суммарная поверхность ее включений; D - коэффициент диффузии легирующего элемента в (Al); A, В и К - коэффициенты, постоянные для сплава заданного состава

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 35 Растворение неравновесных фаз Эмпирические уравнения: p=b0 + b1m или p = amв, где m – толщина растворяющихся частиц - отливки сплава АМг9 при температуре гомогенизации 4400С p = -1,6 + 0,48m, - слитки сплава Д16 при температуре гомогенизации 4800C р = 0,79 + 1,66m или p = 0,63 m1,2 (m - в мкм, p - в час).

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 36 Устранение внутрикристаллитной ликвации  = 5,8l02/(2D), где l0 = d/2 D- коэф. диффузии при Тгом , см2/c: Mg, Zn, Si - 10-9 Cu - 10-10 Ni - 10-12 Fe, Mn, Cr, Zr -10-13 - 10-14

Дисперсоиды алюминидов Mn, Zr и Ti

Фрагментация и сфероидизация эвтектического кремния при нагреве под закалку

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 39 5) изменение зеренной и дислокационной структуры алюминиевого твердого раствора; 6) распад алюминиевого раствора по основным легирующим элементам при охлаждении после изотермической выдержки; 7) развитие вторичной пористости. Структурные изменения при гомогенизации и закалке (продолжение слайда 33)

Тонкая структура после закалки и старения отливок (ПЭМ)

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 41 Общие особенности структуры и свойств деформированных полуфабрикатов

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 42 . СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ДЕФОРМИРОВАННЫХ ПОЛУФАБРИКАТОВ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ Деформация: «холодная» - при комнатной температуре теплая - между комнатной и  0,5-0,6 Тпл горячая- выше 0,5-0,6 Тпл

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 43 Напряжение течения  - - При холодной и теплой деформации  алюминия напряжение течения  непрерывно растет с момента начала деформации и вплоть до разрушения по степенному закону:  = m, где  и m - коэффициенты, m < 1 - При горячей ОМД σ примерно постоянно (установившаяся стадия) после 10-50%-ной деформации - Совместное влияние температуры Т и скорости деформации  на σ определяется (через структуру) параметром Зинера-Холомона: Z =  exp(Q/kTдеф). σ линейно зависит от lgZ

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 44 СТРУКТУРА ДЕФОРМИРОВАННЫХ ПОЛУФАБРИКАТОВ ДО И ПОСЛЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 45 Волокнистая (а) и рекристаллизованная (б) зеренная структура (СМ) а б

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 46 Карта структуры после многократной прокатки методом анализа картины обратно рассеянных электронов EBSD в СЭМ

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 47 ТЕКСТУРЫ ДЕФОРМАЦИИ 1. В катаных листах - двойная текстура прокатки {110}<112> (основная в техническом Al) и {112}<111> (основная в сплавах). 2. После прессования, волочения, прокатки прутков и проволоки круглого сечения образуется двойная аксиальная текстура <111> и <100>. 3. В прессованных полосах и тонкостенных профилях – текстура прокатки + аксиальная при больших отношениях толщины к ширине. 4. В трубах, получаемых прессованием, прокаткой и волочением, - «цилиндрическая» текстура (текстура прокатки после разрезки трубы и разворота ее в плоскость). 5. В осаженных прутках – аксиальная текстура <110>

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 48 Диаграмма структурных состояний закаленного деформируемого сплава АК8 в зависимости от температуры и скорости горячей деформации при осадке 1 - рекристаллизации нет; 2- полная рекристаллизация; 3- рекристаллизация начинается после деформации; 4- смешанная структура

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 49 Субструктура (Al) после возврата и строчечность частиц в волокнистом полуфабрикате

Дисперсоиды в конечной структуре деформированных полуфабрикатов (ПЭМ) 1мкм 200 нм

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 51 Термомеханическая обработка алюминиевых сплавов ВТМО – горячая деформация с получением полигонизованной структуры, сохраняющейся после закалки или отжига – упрочнение по сравнению с рекристаллизованным состоянием (Al) («пресс-эффект» или «структурное упрочнение») НТМО – холодная деформация (прокатка) после закалки перед старением

Cпособы получения нанокристаллической структуры -введением при распаде (Al) наночастиц фаз-упрочнителей (в литейных и деформируемых сплавах) -путем интенсивной пластической деформации разными способами: кручение под гидростическим давлением (КГД)], равноканальное угловое прессование (РКУП), многократная прокатка, механическое легирование и другие для получения наноразмерного зерна в (Al)

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 53

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 54 Интенсивная пластическая деформация (ИПД) Величина деформации в работах по ИПД рассчитывается по формуле ε=-ln(1- /1), где для листов  – это разность исходного размера (диаметра или толщины) заготовки и размера после деформации. Например, если исходная заготовка имела толщину 10 мм, а в результате прокатки мы получили из нее лист толщиной 1 мм, то ε=-ln{1- (10-1)/10}=ln(0,1)=2,3. При ИПД ε может достигать 3-4 и более за один проход

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 55 Схемы РКУП и КГД РКУП - многократное про- давливание образца через канал без изменения его формы КГД-деформация за счет сил трения по поверхности дискового образца

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 56 Промышленные литейные алюминиевые сплавы Базовые системы легирования, маркировка. Химический и фазовый состав. Особенности структуры и свойств силуминов и литейных сплавов на основе систем Al – Mg, Al – Cu и Al – Zn – Mg

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 57 Системы обозначения промышленных литейных алюминиевых сплавов в России и США Базовая система США (АА) Россия (ГОСТ 1583-89) Al-Cu 2XX.0 (224.0) (АМ5) Al-Si-Cu, Al-Si-Mg, Al-Si-Cu-Mg 3XX.0 (356.0) (АК12М2МгН) Al-Si 4XX.0 (413.0) (АК12) Al-Mg 5XX.0 (514.0) (АМг5К) Al-Zn 7XX.0 (710.0) Al-Sn 8XX.0 (850.0)

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 58 Сравнительная характеристика свойств литейных сплавов

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 59 Гарантируемые механические свойства силуминов по ГОСТ 1583-93

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 60 Механические свойства литейных сплавов на базе систем Al–Cu и Al–Mg по ГОСТ 1583-93

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 61 Промышленные деформируемые сплавы Базовые системы легирования, маркировка, химический и фазовый состав Термически неупрочняемые сплавы на основе систем Al – Fe – Si, Al – Mg, Al – Mn, особенности их структуры и свойств. Термически упрочняемые сплавы на основе систем Al – Cu, Al – Mg, Al – Mg – Si, Al – Cu – Mg, Al – Zn – Mg – Cu, Al – Mg – Cu – Li.

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 62 Системы обозначений промышленных деформируемых алюминиевых сплавов в России и США Базовая США (АА) Россия (ГОСТ 4784-74) система Цифровая – (буквенная) >99.0% Al 1ХХX (1180) 10YY – (АД1) Al-Cu 2XXX (2024) 11YY – (Д16, АК4-1) Al-Mn 3XXX (3005) 14YY – (АМц) Al-Si 4XXX - - - Al-Mg 5XXX (5086) 15YY – (АМг6) Al-Mg-Si 6XXX (6010) 13YY – (АВ, АД31) Al-Zn 7XXX (7075) 19YY – (В95) Остальные 8XXX (8111) – - (АЖ0.8)

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 63 Концентрация основных легирующих элементов в промышленных деформируемых сплавах

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 64 Сравнительная характеристика свойств деформируемых сплавов

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 65 Обозначение некоторых состояний для деформируемых алюминиевых сплавов 1) русские буквы, 2) латинские буквы

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 66 Типичные механические свойства термически неупрочняемых алюминиевых деформируемых сплавов

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 67 Типичные механические свойства термически упрочняемых алюминиевых деформируемых сплавов

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 68 Пример билета к контрольной работе 1. В какой области диаграммы состояния находятся составы алюминиевых сплавов с хорошими литейными свойствами? 2. Какие процессы идут при закалке деформированных полуфабрикатов из алюминиевых сплавов? 3. Модифицирование структуры литейных алюминиевых сплавов 4. Структура и свойства дуралюминов 5. Безмедистые силумины

Тугоплавкие металлы и сплавы

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 70 План раздела Тугоплавкие металлы, их распространенность в земной коре, применение. Металлы «большой четверки». Общие особенности электронной и кристаллической структуры тугоплавких металлов с ОЦК решеткой. Физические свойства. Химические свойства. Способы защиты тугоплавких металлов от взаимодействия с газами воздуха Состав защитных покрытий и способы их нанесения на тугоплавкие металлы и сплавы. Механические свойства: проблемы хладноломкости и жаропрочности Принципы легирования тугоплавких металлов с целью создания жаропрочных сплавов. Промышленные сплавы.

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 71 Максимальные рабочие температуры жаропрочных сплавов на разной основе

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 72 Особенности электронной структуры Тугоплавкие металлы IV-VII групп – переходные d-элементы V и Cr расположены в I-ом большом периоде, Zr, Nb и Mo во II-ом, Ta, W, Nb и Re – в III-ем Соответственно у них не полностью заполнены 3d-, 4d- и 5d-уровни, а количество электронов на внешних уровнях почти одинаково В результате кристаллическая структура у всех этих металлов тоже близка Как минимум одна модификация имеет ОЦК решетку со всеми ее особенностями

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 73 Распространенность в земной коре, кристаллическая структура и некоторые физические свойства тугоплавких металлов

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 74 Температура плавления переходных металлов трех длинных периодов Максимум Тпл – при 6 (d+s)-электронах, когда максимальна прочность сил меж- атомной связи

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 75 Химические свойства Схемы зависимости скорости окисления от времени при постоянной температуре При Сильное окисление начинается при т-рах 400-5000С. Причины линейного окисления: -низкая Тпл и Ткип оксида (279 и 3630С у Re2O7, 795 и 14600С у МоО3), -рыхлая крист. решетка, сильно отличающаяся от маталла

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 76 Взаимодействие с водородом и азотом С водородом металлы VI-группы и рений в твердом состоянии не взаимодействуют Металлы IV- и V-групп активно взаимодействуют с водородом выше 250-3000С с образованием гидридов С азотом взаимодействуют все тугоплавкие металлы, особенно IV группы, меньше других - хром

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 77 Защитные атмосферы и покрытия Защитные атмосферы: вакуум, аргон, водород (для W и Mo) Защитные покрытия получают хромированием, силицированием, оксидированием (Al2O3, ThO2, ZrO2), многослойным вакуумным напылением (Cr, Si) с последующим диффузионным отжигом

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 78 Механические свойства 2 основные проблемы –хладноломкость и жаропрочность Температурные зависимости относительного сужения

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 79 Природа хладноломкости ОЦК металлов 1.Роль примесей, особенно образующих растворы внедрения -предельная растворимость -сегрегация на дислокациях -равновесная сегрегация на границах зерен -образование частиц избыточных фаз 2. Влияние дислокационной структуры 3. Влияние зеренной структуры

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 80 Растворимость углерода, азота и кислорода в тугоплавких металлах VА и V1А-подгрупп при комнатной температуре

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 81 Схемы структур тугоплавких ОЦК металлов в различных состояниях а – г -структуры в световом микроскопе; д – ж -дислокационная структура фольги в электронном микроскопе; а – литое состояние; б – деформированное; в – рекристаллизованное состояние; г – монокристалл; д – гомогенное распределение дислокаций; е – ячеистая структура; ж – полигонизованная структура

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 82 Схемы изменения температуры хрупко -вязкого перехода тугоплавких металлов (Тхр) при легировании

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 83 Способы уменьшения хладноломкости Снижение концентрации примесей внедрения Устранение сетки высокоугловых границ Создание полигонизованной структуры Измельчение зерна Легирование рением и химически активными элементами

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 84 Температурные зависимости предела прочности (а) и удельной прочности (б) тугоплавких металлов

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 85 Влияние легирования на жаропрочность Твердорастворное упрочнение добавками, повышающими или слабо снижающими солидус металла – основы, т.е. другими тугоплавкими элементами Фазы – упрочнители: чаще всего карбиды, а также нитриды, оксиды, бориды Способы введения частиц фаз-упрочнителей – порошковая металлургия, - «слиточная» технология

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 86 Диаграмма состояния Ti – Mo

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 87 Диаграмма состояния Mo – W

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 88 Диаграмма состояния Zr – Nb

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 89 Схема конструирования состава жаропрочных сплавов на основе металлов «большой четверки» Ме-основа (Мо, W, Nb, Ta) + растворимые добавки для повышения жаропрочности (те же металлы) и низкотемпературной пластичности (Ti, Zr, Hf, РЗМ)+ добавки , образующие фазы –упрочнители (С и другие металлоиды)

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 90 Температурные зависимости предела прочности вольфрамовых сплавов

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 91 Расшифровка кривых на слайде 94

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 92 Химический состав и свойства молибденовых сплавов в отожженном состоянии

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 93 Химический состав и свойства ниобиевых сплавов

Радиоактивные металлы

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 95 План раздела Радиоактивный распад и цепная ядерная реакция. Ядерный реактор. Уран . Физические, химические и механические свойства урана. Радиационное повреждение урана. Радиационный рост урана. Газовое распухание урана и способы борьбы с ним. Размерная нестабильность урана при работе реакторов. Основные легирующие элементы. Сплавы урана Плутоний и его сплавы Торий и его сплавы

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 96 Состав ядер атомов -23 радиоактивных металла, используются в основном U, Pu и Th. -Ядро состоит из нуклонов – положительно заряженных протонов и нейтронов, имеющих примерно одинаковую массу. -Число протонов Z (положительный заряд ядра) равно числу электронов. -Заряд ядра Z равен суммарному числу протонов (или электронов) -Число нуклонов (массовое число) М = Z + N (N – число нейтронов). -У многих элементов при одном Z несколько значений N и М -Изотопы – атомы с одинаковым Z, но разным М. -Нуклоны в ядре связаны ядерными силами, на 6 порядков большими, чем электростатические силы отталкивания протонов.

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 97 Распад и синтез ядер При увеличении Z ядерные силы сначала растут, а потом у тяжелых элементов уменьшаются. Синтез легких и распад тяжелых ядер сопровождается выделением большой энергии. Условие стабильности ядра: Дефект массы при потере или приобретении энергии:  m =  E/c2, где  E – величина выделяющейся или приобретаемой энергии; c – скорость света. При образовании в результате синтеза ядер 1 кг гелия  m = 80 г. При этом выделяющаяся энергия  E = 4,47 ·1028 МэВ (как при сгорании 20 000 т угля). При распаде ядер тяжелых элементов также образуется огромная энергия (при распаде ядер 1 кг U в 8 раз меньшая, чем при синтезе 1 кг He)

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 98 Разновидности реакций распада ядер радиоактивных изотопов (естественная радиоактивность)  - распад с выделением –частицы (ядра гелия с М=4 и Z=2). При этом образуется новое ядро. Например, 226Ra88  42 + 222Rn86. Позитронный или +-распад (позитрон – 0e+1) Например, 30P15  0e+1 + 30Si14 + 00 , где  -нейтрино. К – захват. Ядро захватывает электрон с оболочки своего атома (чаще всего с К –оболочки), который соединяется с протоном, образуя нейтрон. Например, 55Fe26 + 0e-1 54Mn25 + 1n0. При избытке нейтронов в ядре они распадаются: 1n0  1P1 + 0e-1 +00.

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 99 Реакции при бомбардировке ядер частицами Ядерные реакции – поглощение частиц –бомбардиров ядрами Если частица не поглощается ядром, то говорят о рассеянии Если частица поглощается ядром, то образуется короткоживущее (<10-16 сек) ядро, превращающееся в другое, испуская одну или несколько частиц Возможно образование «возбужденных» ядер, которые отдают свой избыток энергии в виде электромагнитного излучения Во всех ядерных реакциях Z и M остаются неизменными, а в результате реакции выделяется или поглощается энергия

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 100 Эффективное поперечное сечение  бомбардируемых ядер (характеризует вероятность прохождения ядерной реакции) P = F  N  d  , где P – число ядерных процессов; F – число частиц-снарядов; d – толщина фольги–мишени; N – число ядер. -Размерность  – барны (1 барн = 10-24 см2). -Наилучшие частицы-бомбардиры – нейтроны, которые легко можно получать в реакторах и для которых не существует кулоновского барьера.

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 101 Схема зависимости энергии связи ядра на 1 нуклид (Q/М) от массового числа М Си Синтез ядер (идет в термоядерных реакциях) пока неуправляем Реакцией деления можно управлять

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 102 Схема зависимости % выхода образующихся при делении ядер урана и тория от массового числа М

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 103 Цепная ядерная реакция При делении ядер в результате их бомбардировки нейтронами выделяется энергия и образуются нейтроны деления – мгновенные (10-15 сек) и запаздывающие (0,114-54,3 сек после деления) ■ Образовавшиеся нейтроны расщепляют др. ядра, в результате образуется еще больше нейтронов и идет цепная ядерная реакция, обусловленная тем, что вместо каждого потерянного в процессе деления ядер нейтрона образуется в среднем больше, чем один нейтрон ■ Управлять цепной реакцией можно только благодаря наличию запаздывающих нейтронов

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 104 Ядерный реактор Ядерный реактор – аппарат, в котором происходит управляемый процесс деления ядер. Для непрерывного прохождения цепной ядерной реакции деления надо компенсировать потери нейтронов – число образующихся при делении ядер нейтронов должно быть равно или больше начального количества нейтронов

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 105 Принципиальная схема простейшего ядерного реактора (с массой, близкой к критической) Коэффициент размножения K =  · f ·n, где  - доля непоглощенных первичных нейтронов, f – доля нейтронов от доли , которые вызвали деление, n- число новых нейтронов, образовавшихся при одном делении К должен быть равен или больше 1 (но немного – до ~1,01), чтобы шла управляемая цепная реакция. Если К=2, то произойдет атомный взрыв через 10-6 сек

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 106 Принципиальная схема гетерогенного ядерного реактора 1 – урановые стержни (ТВЭЛы); 2 – замедлитель (с минимальным P и атомным весом – графит,Be); 3 – отражатель (из материалов, подобных замедлителю); 4 – защита; 5 – регулирующий стержень (с большим P)

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 107 Принципиальная схема ТВЭЛа (поперечное сечение) 1 – пруток ядерного горючего; 2 – внутренняя оболочка; 3 – внешняя оболочка; 4 – канал для теплоносителя

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 108 УРАН Изотопный состав урана и реакции при захвате нейтронов ядрами 238U Изотопы урана: 234U (0,006%), 235U (0,712%), 238U (99,28%) 238U делится только быстрыми нейтронами с большой энергией. При взаимодействии с тепловыми нейтронами: 238U92 + n  239U92 +  239U92  239Np93 + e-1 239Np93  239Pu94 + 0e-1 Значительного выделения энергии в этих реакциях не происходит. 238U является топливным сырьем для получения Pu. 235U является легко делящимся тепловыми нейтронами изотопом

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 109 Физические, химические свойства и полиморфные превращения в уране Температура плавления урана 1132 0С.  (ОЦК) – модификация U стабильна при охлаждении до 764  775 0С. -фаза (сложная тетрагональная решетка) – существует в диапазоне от 7750  665 0С  (ромбическая решетка) – ниже 665 0С Переход β →α происходит с сильным уменьшением объема (плотность увеличивается с 18,1 до 19,1 г/см3), это вызывает большие внутренние напряжения Низкая электро – и теплопроводность ( = 30 мкОм см) ■ Высокая химическая активность на воздухе (вплоть до самовозгорания порошка), в воде и многих др. средах, с жидкометаллическими теплоносителями взаимодействует слабо - Природный уран радиационно практически безопасен

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 110 Влияние температуры на механические свойства урана, прокатанного в  – области с последующим быстрым охлаждением При комнатной т-ре у чистого (99,95%) урана σв=300-500 МПа, =4-10%

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 111 Изменение формы и размеров U при облучении и ТЦО

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 112 Радиационное повреждение – изменение формы и размеров прутков ядерного горючего, повышение твердости, охрупчивание, образование пор и трещин, шероховатость поверхности Причины радиационного «роста»: 1) смещение атомов из положений равновесия, 2) внедрение продуктов деления в кристаллическую решетку, 3) возникновение «термических пиков», 4) анизотропия кристаллической решетки Свеллинг – газовое распухание при высоких температурах (>400 0С) из-за образования при делении ядер ксенона и криптона

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 113 Размерная нестабильность в условиях многократных теплосмен Наблюдается при наличии сильной текстуры, устранение текстуры устраняет формоизменение Чем крупнее зерно, тем меньше рост, но рельефней получается поверхность Структурные изменения: рекристаллизация, полигонизация, образование пор

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 114 Зависимость изменения длины уранового стержня от числа циклов нагрева и охлаждения 100 0С  500 0С 1 – после прокатки при 300 0С и отжига при 575 0С; 2 – после прокатки при 600 0С и отжига при 575 0С; 3 – после прокатки при 600 0С и закалки из  – области Скорость Ск Ск Скорость роста падает с ослаблением текстурованности

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 115 Сплавы урана Сплавы с α-структурой – малолегированные (10-2 % Al, Fe, Si), сплавы с Mo, Zr, Nb (до 10%) – отсутствие текстуры, мелкое зерно, дисперсные частицы Сплавы с γ-структурой (ОЦК) с Mo, Zr, Nb (более 10%) –уменьшенное формоизменение, повышенная пластичность и коррозионная стойкость

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 116 Керамическое и дисперсионное ядерное горючее (ЯГ) Керамическое ЯГ – соединения U и др. радиоактивных металлов с металлоидами (O, C, N) – получают методами порошковой металлургии Дисперсионное ЯГ – это композиты с дискретными частицами соединений радиоактивных металлов в нерадиоактивной матрице (металлической, графитовой или керамической)

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 117 Фазовая диаграмма системы U – Mo

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 118 Фазовая диаграмма системы U – Zr

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 119 Плутоний и его сплавы Полиморфизм плутония

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 120 Свойства плутония ■ -Pu – еще более химически активен, чем уран, радиационно опасен из-за - и  -излучения, обладает очень большим КТР и электросопротивлением (145 мкОм.см); -предел прочности 350-400 МПа, <1%. ■ -Pu с ГЦК-решеткой пластичен, изотропен по свойствам, имеет положительный температурный коэффициент электросопротивления и отрицательный ТКР; ■ большие объемные изменения при полиморфных превращениях; ■ невозможность использования чистого Pu в ядерных реакторах.

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 121 Салавы плутония Сплавы Pu c Al (на основе Al – дисперсионное ЯГ – сл.128) Сплавы с переходными металлами (Zr, Ce, Fe) Сплавы Pu-U, Pu-Th и Pu-U-Mo для реакторов на быстрых нейтронах Фиссиум – сплавы U-Pu со смесью продуктов деления (в основном Mo и Ru) Сплавы Pu с Fe, Ni, Co с низкой Тпл для жидкого ядерного горючего ■ Сплавы Pu c Ga – стабилизация -фазы сильно уменьшает объемные изменения

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 122 Температурные зависимости изменения длины Pu и его сплавов с Ga

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 123 Растворимость некоторых добавок в   и   модификациях Pu

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 124 Фазовая диаграмма системы Pu – Al

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 125 Фазовая диаграмма системы Pu – Zr

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 126 Фазовая диаграмма системы Pu – U

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 127 Фазовая диаграмма системы Pu – Fe

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 128 Торий и его сплавы Реакции превращения 232Th в 233U 232Th90 + n  232Th90 +   233Pa91 + 0e-1  233U92 + e Т-ра плавления технического Th 1690 0С. При 1400 0С -Th с ГЦК решеткой переходит в -Th с ОЦК решеткой. Плотность - Th 11,65 г/см3, Удельное электросопротивление 20-30 мкОм·см КТР  11,7 10-6 град-1 – в несколько раз меньше, чем у U Имеет хорошую пластичность и изотропность свойств благодаря ГЦК решетке, но малопрочен (HV 40-80) Высокая жаропрочность Химическая активность ниже, чем у урана Используется чаще всего в виде сплавов с ураном при повышенной концентрации 235U

04.05.2017 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 129 Фазовая диаграмма системы Th – U