АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ Лектор В С Золоторевский Курс Структура

АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ Лектор В. С. Золоторевский Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“

Содержание n n n n 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 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 2

Рекомендуемая литература n n И. И. Новиков, В. С. Золоторевский, В. К. Портной и др. Металловедение, том 2. МИСи. С, 2009. Б. А. Колачев, В. И. Ливанов, В. И. Елагин. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. МИСи. С, 2005. 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 3

Общая характеристика алюминия и его сплавов n n n n n Большие запасы (8%Al) в земной коре 1 -е место среди цветных металлов по объему производства – более 35 млн т/год (15% РФ) Цена - 1500 -2600 $/т (~1650 $/т в начале февраля 2014 г. ) Легкость – уд. вес 2, 7 г/см 3 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 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 4

Области применения алюминия и его сплавов n n n n авиа- и ракетостроение наземный и водный транспорт машиностроение электротехника строительство пищевая промышленность бытовая техника специальные области 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 5

ПЕРВИЧНЫЙ АЛЮМИНИЙ Химический состав некоторых стандартных марок первичного алюминия, производимого в России (ГОСТ 11069 -2001) Марка Fe, % Si, % Cu, % Zn, % Ti, % Ост. , % Всего примесей, % Al, % не менее высокой чистоты А 995 0, 0015 0, 001 0, 005 99, 995 А 99 0, 003 0, 002 0, 001 0, 01 99. 99 А 97 0, 015 0, 005 0, 003 0, 002 0, 03 99, 97 А 95 0, 03 0, 015 0, 002 0, 005 0, 05 99, 95 технической чистоты А 85 0, 08 0, 06 0, 01 0, 02 0, 15 99, 85 А 7 0, 16 0, 15 0, 01 0, 04 0, 02 0, 30 99, 70 А 5 0, 30 0, 25 0, 02 0, 06 0, 03 0, 30 99, 50 A 35 0, 65 (Fe+Si) 0, 05 0, 1 0, 02 0, 03 1, 00 99, 35 A 0 0. 95 (Fe+Si) 0, 05 0, 1 0, 02 0, 03 1, 00 99, 00 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 6

Физические свойства Al в сравнении с другими металлами Свойство Al Fe Cu Температура плавления, 0 С 660 1539 1083 650 1652 n Температура кипения, 0 С 2494 Плотность, г/см 3 2872 2, 7 2595 7, 86 1107 8, 9 3000 1, 738 4, 5 n Коэфф. терм. расш. , 106* К-1 23, 5 12, 1 17, 0 26, 0 8, 9 n Уд. электросопр. , 108* Ом*м 2, 67 10, 1 1, 69 4, 2 54 n Теплопроводность, Вт*м-1*К-1 238 78, 2 397 156 21, 6 n Теплота плавления, Дж*г-1 405 272 205 293 358 n Теплота испарения, к. Дж*г-1 10, 8 6, 1 6, 3 5, 7 9, 0 n Модуль упругости, ГПа 70 220 132 44 112 n n Mg Ti У Al низкая твердость - 10 -15 НВ, прочность в=50 -70 МПа и высокая пластичность =30 -45% 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 7

Основные примеси в алюминии и его сплавах n n n n n Железо Кремний Fe+Si – фазы Al 3 Fe, Al 5 Fe. Si (β) и Al 8 Fe 2 Si (α) Цинк Медь Магний Свинец и олово Натрий Водород 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 8

ОСНОВНЫЕ БАЗОВЫЕ СИСТЕМЫ ЛЕГИРОВАНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ n n n n n 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) 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 9

Классификация легирующих элементов и примесей в промышленных алюминиевых сплавах по их влиянию на различные элементы структуры Элементы структуры, образуемые Легирующие элементы и добавками и примесями примеси Твердый раствор (Al) и фазы -упрочни - Cu, Mg, Si, Zn, Li, (Mn) – тели при старении основные легирующие элементы - сл. 11 -13 Нерастворимые (при отжиге) эвтекти- Fe, Si, Ni, Mn, (Mg, Cu) ческие фазы Первичные кристаллы Fe, Ni, Mn, Si, (Zr, Cr, Ti) Дисперсоиды при высокотемператур- Mn, Zr, Cr, Ti, Sc (иногда ных нагревах +Сu, Fe, Si и др. ) Микродобавки, мало влияющие на Be, Cd, Sr, Na, Ti, B фазовый состав 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 10

Диаграмма состояния Al-Cu Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“

Диаграмма состояния Al-Mg Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“

Диаграмма состояния Al-Si Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“

Характеристики диаграмм состояния эвтектического типа, образуемых алюминием с основными легирующими элементами № Легирую- Сa, щие мас. % элементы (ат. %) Се , мас. % (ат. %) Te, 0 C Фаза в равновесии с (Аl) (содержание второго ком- понента, мас. %) 1 Cu 5, 7 (2, 5) 33, 2 (17, 5) 548 Cu. Al 2 (52%Cu) 2 Mg 17, 4 (18, 5) 35 3 Zn 82 4 Si 1, 65 (1, 59) 2/8/2018 (49, 3) 94, 9 12 (36) 450 Mg 5 Al 8 (35%Mg) (75) 382 (Zn) (>99%Zn) (12) (Si) (>99, 5%Si) 577 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 14

Характеристики двойных фазовых диаграмм алюминия с переходными металлами, присутствующими в алюминиевых сплавах в качестве примесей или легирующих элементов № Легирующие элементы (тип диаграммы) Сa, масс. % (ат. %) 1 Fe (e) 0, 05 (0, 03) 1, 8 (0, 9) 655 Fe. Al 3 (40%Fe) 2 Ni (e) 0, 04 (0, 02) 6, 0 (2, 8) 640 Ni. Al 3 (42%Ni) 3 Ce (e) 0, 05 (0, 01) 12 (2, 6) 650 Ce. Al 4 (57%Ce) 3 Mn (e) 1, 8 (0, 89) 1, 9 (0, 91) 658 4 Sc (e) 0, 3 (0, 2) 0, 6 (0, 4) 655 Sc. Al 3 (36%Sc) 5 Ti (p) 1, 3 (0, 8) 0, 12 (0, 08) 661 Ti. Al 3 (37%Ti) 6 Zr (p) 0, 28 (0, 1) 0, 11 (0, 04) 661 Zr. Al 3 (53%Zr) 7 Cr (p) 0, 8 (0, 4) 0, 4 (0, 2) 661 Cr. Al 7 (22%Cr) 2/8/2018 Се, p , мас. % (ат. %) Te, p, 0 C Фаза в равновесии с (Аl) (содержание второго компонента, масс. %) Mn. Al 6 (25%Mn) Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 15

Метастабильные варианты фазовых диаграмм Al-ПМ 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 16

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 АК 7 и АК 8 М 3, а также некоторые деформируемые сплавы, в частности типа АК 4 -1); 3. Эвтектические сплавы (силумины типа АК 12 и АК 12 М 2); 4. Заэвтектические сплавы (заэвтектические силумины, например АК 18). 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 17

Общие особенности структуры и свойств слитков и отливок из алюминиевых сплавов 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 18

НЕРАВНОВЕСНАЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛИТОЙ СТРУКТУРЫ 1) форма и размер кристаллитов (зерен) ; 2) форма и размер дендритных ячеек (Al); 3) распределение легирующих элементов и примесей в (Al); 4) состав, структура, морфология и объемная доля частиц избыточных фаз кристаллизационного происхождения, 5) характеристики субструктуры (распределение и плотность дислокаций, размеры субзерен и дислокационных ячеек, углы их разориентировки, вторичные выделения); 6) количество, размер и распределение пор 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 19

Неравновесный солидус А ka в системе эвтектического типа и кривая изменения среднего состава твердого раствора bc при дендритной ликвации в сплаве Х 1 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 20

Типичная макро- и микроструктура доэвтектических литых алюминиевых сплавов 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 21

Микроструктуры литых сплавов Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“

Vохл, K/c Соотношение между размером дендритной ячейки (d) и скоростью охлаждения (Vохл) d=A V-nохл d, мкм Условия получения отливок 10 -3 1000 Литье крупных отливок в землю 100 Непрерывное литье слитков, кокильное литье 103 10 Литье крупных гранул (в воду) 106 1 Получение чешуек (спиннингование) 109 0, 1 Получение ультратонких чешуек 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 23

Неравновесный солидус А ka в системе эвтектического типа и кривая изменения среднего состава твердого раствора bc при дендритной ликвации в сплаве Х 1 (см. сл. 22) 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 24

Концентрационная граница появления неравновесной эвтектики (Са ) С , % Cu Mg Zn Si Равновесная предельная растворимость С п, % 5, 65 15, 35 82, 2 1, 65 0, 5 -2 K/мин 0, 1 4, 5 20, 0 0, 1 80 -100 K/мин 0, 1 0, 5 2, 0 0, 1 1000 K/мин 0, 3 1, 0 3, 0 0, 2 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 25

Объемная доля (QV) и размер (m) частиц избыточных фаз и пор QV = Cx/Ce)1/(1 -К), где Сe – эвтектическая концентрация, К - коэффициент распределения, Сx - концентрация легирующего элемента в сплаве m = Bd, где d – размер дендритной ячейки 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 26

МОРФОЛОГИЯ ИЗБЫТОЧНЫХ ФАЗ Большое количество и разнообразие формы выделений избыточных фаз, в том числе одной и той же фазы: 1) прожилки по границам дендритных ячеек; 2) скелеты; 3) иглы, пластины; 4) тонкодифференцированные кристаллы в сплавах, близких к эвтектической точке и др. 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 27

Модифицирование литой структуры n Модифирование для измельчения первичных кристаллов Примеры модификаторов: зерна (Al) - Ti и Ti+B, первичного (Si) – Cu+P n Модифицирование эвтектик Модификаторы (Si) в эвтектике: хлориды, Sr, РЗМ 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 28

Разная морфология избыточных фаз 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 29

Основные Fe- и Si-содержащие фазы в алюминиевых сплавах Al 3 Fe, α(Al 8 Fe 2 Si), β(Al 5 Fe. Si) n Al 15(Fe, Mn)3 Si 2 n Al 6(Fe, Cu, Mn), Al 7 Fe. Cu 2 n Al 9 Fe. Ni n Al 8 Fe. Mg 3 Si 6 n 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 30

Внутренняя структура дендритов (Al) Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“

Изменение структуры и свойств слитков и отливок при гомогенизационном отжиге 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 32

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 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 33

Структурные изменения при гомогенизации и закалке 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. 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 34

Растворение неравновесных фаз в результате диффузии где n n n P= (Q ·A·d/2) / (D·S·(B+K·Q ) , 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 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 35

Растворение неравновесных фаз Эмпирические уравнения: p=b 0 + b 1 m или p = amв - отливки сплава АМг 9 при температуре гомогенизации 4400 С p = -1, 6 + 0, 48 m, - слитки сплава Д 16 при температуре гомогенизации 4800 C р = 0, 79 + 1, 66 m или p = 0, 63 m 1, 2 (m - в мкм, p - в час). 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 36

Устранение внутрикристаллитной ликвации л = 5, 8 l 02/( 2 D), где l 0 = d/2 D- коэф. диффузии, см 2/c: n Mg, Zn, Si - 10 -9 n Cu - 10 -10 n Ni - 10 -12 n Fe, Mn, Cr, Zr -10 -13 - 10 -14 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 37

Дисперсоиды алюминидов Mn, Zr и Ti Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“

Фрагментация и сфероидизация эвтектического кремния при нагреве под закалку Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“

Тонкая структура после закалки и старения отливок (ПЭМ) Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“

ЗАВИСИМОСТЬ ПРЕДЕЛА ТЕКУЧЕСТИ ОТ СОСТАВА И СТРУКТУРЫ ОТЛИВОК n n n где f - объемная доля эвтектики; ss - твердорастворное упрочнение, МПа, ρ - дислокационное упрочнение, МПа, σgb - зернограничное упрочнение, МПа, p - упрочнение от частиц кремния, МПа, tp - упрочнение от продуктов старения, МПа. Уравнение Холла-Петча: у = 0 + Ку D-1/2 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 41

Интерфейс программы по расчету предела текучести Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“

Общие особенности структуры и свойств деформированных полуфабрикатов 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 43

. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ДЕФОРМИРОВАННЫХ ПОЛУФАБРИКАТОВ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ n n n Деформация: холодная - при комнатной температуре теплая - между комнатной и 0, 5 -0, 6 Тпл горячая- выше 0, 5 -0, 6 Т напряжение течения (см. след. слайд) скорость деформации =A exp(B /k. Тд )exp(-Q/ k. Тд ), где А и B - константы, определяемые структурой; k - константа Больцмана; Q - энергия активации горячей деформации 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 44

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 и скорости деформации на σ определяется (через структуру) параметром Зинера-Холомона: Z= exp(Q/k. Tдеф). σ линейно зависит от lg. Z 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 45

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> 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 46

Дорекристаллизационный и рекристаллизационный отжиг деформированных полуфабрикатов, их закалка, старение и ТМО 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 47

Волокнистая (а) и рекристаллизованная (б) зеренная структура (СМ) а 2/8/2018 б Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 48

Субструктура (Al) и строчечность частиц в волокнистом полуфабрикате после возврата 0, 5 мкм 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 49

Частицы в конечной структуре деформированных полуфабрикатов (ПЭМ) 1 мкм 1 мкм Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 200 нм

Диаграмма структурных состояний закаленного деформируемого сплава АК 8 в зависимости от температуры и скорости деформации при осадке 1 - рекристаллизации нет; 2 - полная рекристаллизация; 3 - рекристаллизация начинается после деформации; 4 - смешанная структура 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 51

Термомеханическая обработка n n ВТМО – горячая деформация с получением полигонизованной структуры, сохраняющейся после закалки или отжига – упрочнение по сравнению с рекристаллизованным состоянием (Al) ( «прессэффект» или «структурное упрочнение» ) НТМО – холодная деформация (прокатка) после закалки перед старением 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 52

Способы получения нанокристаллической структуры в деформируемых алюминиевых сплавах -введением наночастиц фаз-упрочнителей -при распаде (Al), -при внутреннем окислении, науглероживании и др. -путем интенсивной пластической деформации - получение наноразмерного зерна в (Al) - РКУП (равноканальное угловое прессование) - КГД (кручение под гидростатическим давлением) - при механическом легировании - при винтовой прокатке и др. видах ОМД с очень большими степенями деформации Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“

Схемы РКУП и КГД РКУП-многократное продавливание образца через канал без изменения его формы . КГД-деформация за счет сил трения п поверхности дискового образца 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 54

2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 55

2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 56

Н 18 – холодная прокатка с большой степенью обжатия 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 57

Промышленные литейные алюминиевые сплавы Базовые системы легирования, маркировка. n Химический и фазовый состав. n Особенности структуры и свойств силуминов и литейных сплавов на основе систем Al – Mg, Al – Cu и Al – Zn – Mg n 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 58

Системы обозначения промышленных литейных алюминиевых сплавов в России и США n n n n Базовая система Al-Cu Al-Si-Cu, Al-Si-Mg, Al-Si-Cu-Mg Al-Si Al-Mg Al-Zn Al-Sn 2/8/2018 США (АА) 2 XX. 0 (224. 0) Россия (ГОСТ 1583 -89) (АМ 5) 3 XX. 0 (356. 0) (АК 12 М 2 Мг. Н) 4 XX. 0 (413. 0) (АК 12) 5 XX. 0 (514. 0) (АМг 5 К) 7 XX. 0 (710. 0) 8 XX. 0 (850. 0) Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 59

Фазы в промышленных литейных алюминиевых сплавах Система Фазы- упрочнители TE, 0 C Al-Cu-Mg Al 2 Cu, Al 2 Cu. Mg 505 Al-Mg Al 3 Mg 2 555 Al-Zn-Mg Al 2 Mg 3 Zn 2, Mg. Zn 2 475 Al-Si-Mg Al-Si-Cu Al-Si-Mg-Cu Al-Cu 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 60

Структура доэвтектического силумина АК 7 ч (а) и заэвтектического силумина FM 135 (б) а 2/8/2018 б Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 61

Сравнительная характеристика свойств литейных сплавов Система Проч. Пласт. Жар. Кор. Лит. Свар. Al-Si 1 2 3 3 Al-Si-Mg 2 1 -2 1 2 3 3 Al-Si-Cu 2 1 -2 2 1 3 3 Al-Si-Cu-Mg 2 -3 1 2 -3 3 Al-Cu 3 3 3 1 1 2 Al-Mg 1 -2 3 1 3 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 62

Механические свойства литейных сплавов на базе систем Al–Cu и Al–Mg по ГОСТ 1583 -93 АМг 6 лч 2/8/2018 АМг 10(АЛ 27) НВ З 333 4 90 К 490 4 120 190 4 60 К 220 6 60 230 6 60 200 5 60 К 240 10 60 З, К АМг 6 л , % З АМ 4, 5 Кд в, МПа З, К АМ 5 Способ литья З Сплав 250 10 60 З, К 320 12 75 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 63

Промышленные деформируемые сплавы n n n 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 – Si, Al – Cu – Mg, Al – Zn – Mg – Cu, Al – Mg – Cu – Li. 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 64

Системы обозначений промышленных деформируемых алюминиевых сплавов в России и США Базовая США (АА) Россия (ГОСТ 4784 -74) система Цифровая – (буквенная) n >99. 0% Al 1 ХХX (1180) 10 YY – (АД 1) n Al-Cu 2 XXX (2024) 11 YY – (Д 16, АК 4 -1) n Al-Mn 3 XXX (3005) 14 YY – (АМц) n Al-Si 4 XXX (4004) n Al-Mg 5 XXX (5086) 15 YY – (АМг 6) n Al-Mg-Si 6 XXX (6010) 13 YY – (АВ, АД 31) n Al-Zn 7 XXX (7075) 19 YY – (В 95) n Остальные 8 XXX (8111) – (АЖ 0. 8) 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 65

Концентрации основных легирующих элементов в промышленных деформируемых сплавах Cu, % Mg, % Zn, % Si, % Li, . % Al-Cu-Mg 3 -5 0, 5 -2 - - - Al-Mg-Si - 0, 3 -1, 2 - Al-Zn-Mg - 1 -3 3 -6 - - Al-Cu-Mg-Si 1 -5 0, 3 -1, 2 - Al-Zn-Mg-Cu 0, 5 -3 1 -3 5 -9 - - Al-Li-Cu-Mg 0– 4 0 -5 – – 1– 3 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 66

Сравнительная характеристика свойств деформируемых сплавов Система Прочн. Пласт. Жароп. Корр. Дефор. Свар. Al-Mg 1 -2 3 1 3 2 3 Al-Cu 3 3 3 1 2 2 Al-Mg-Si 2 3 3 2 Al-Cu-Mg 3 3 2 1 3 1 Al-Zn-Mg 1 2 1 3 3 2 Al-Zn-Mg-Cu 3 2 1 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 67

Обозначение некоторых состояний для деформируемых алюминиевых сплавов Вид термообработки Обозначение в РФ 1) Обозначение в США 2) Без термообработки, без контроля наклепа – F Отжиг для полного снятия наклепа М O Нагартованное состояние без термообработки Н H 1 Нагартованное и частично отожженное состояние Н 1, Н 2, Н 3 H 2 Нагартованное и стабилизированное состояние – Н 3 Закалка после деформации плюс естественное старение T T 4 Закалка после деформации плюс старение на максимальную прочность T 1 T 6 Закалка после деформации плюс перестаривание Т 2, Т 3 T 7 Закалка после деформации, холодная деформация, искусственное старение (НТМО) T 1 Н T 8 1) русские буквы, 2/8/2018 2) английские буквы Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 68

Типичные механические свойства термически неупрочняемых алюминиевых деформируемых сплавов Сплав Вид полуфабриката Состояние в , МПа 0, 2, МПа , % АД 00 Лист М 60 – 28 АД 1 Лист Н 145 – 4 АМц Лист Н 185 – 4 АМг 2 Лист М 165 – 18 АМг 2 Профиль М 225 60 13 АМг 3 Лист М 195 100 15 АМг 6 Лист М 155 15 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 69

Типичные механические свойства термически упрочняемых алюминиевых деформируемых сплавов Сплав Вид полуфабриката Состояние в, МПа 0, 2, МПа , % Д 16 Лист Т 440 290 11 Д 20 Поковка Т 1 375 255 10 АК 8 Пруток Т 1 450 – 10 АВ Лист М 145 – 20 АВ Профиль Т 1 294 225 10 АД 31 Пруток Т 1 195 145 8 В 95 Пруток Т 1 510 420 6 В 96 ц Поковка Т 1 590 540 4 1915 Лист Т 315 195 10 АК 4 -1 Пруток Т 1 390 315 6 1420 Профиль Т 1 412 275 7 1450 Лист Т 1 490 430 4 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 70

Тугоплавкие металлы и сплавы Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“

План раздела n n n n 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. 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 72

Максимальные рабочие температуры жаропрочных сплавов на разной основе 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 73

Особенности электронной структуры n n n 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 3 d -, 4 d- и 5 d-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 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 74

Распространенность в земной коре, кристаллическая структура и некоторые физические свойства тугоплавких металлов Плотность, г/см 3 Удельное электросопротивление, мк. Ом·см Температура перехода в сверх проводящее состояние, К Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов, барны Металл Содержание в земной коре, % Тип кристаллической решетки Цирконий 0, 022 -ГП -ОЦК 1852 6, 5 42 0, 7 0, 18 Ванадий 0, 0150 ОЦК 1900 6, 14 24, 8 5, 13 4, 98 Ниобий 0, 0024 ОЦК 2468 8, 58 12, 7 9, 22 1, 15 Тантал 0, 00021 ОЦК 3000 16, 65 12, 4 4, 38 21 Хром 0, 020 ОЦК 1875 7, 19 12, 8 - 3, 1 Молибден 0, 0015 ОЦК 2625 10, 2 5, 78 0, 9 -0, 98 2, 7 Вольфрам 0, 0069 ОЦК ~3400 19, 35 5, 5 0, 05 19, 2 Рений 1· 10 -7 ГП 3180 21, 02 19, 14 1, 7 86 Медь 0, 007 2/8/2018 Температура плавления, 0 С Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 75

Температура плавления переходных металлов трех длинных периодов Максимум Тпл – при 6 (d+s)-электронах, когда максимальна прочность сил межатомной связи 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 76

Химические свойства Схемы зависимости скорости окисления от времени при постоянной температуре П Сильное окисление начинает р при т-рах 400 -5000 С. Причины линейного окислени и -низкая Тпл и Ткип оксида (279 и 3630 С у Re 2 O 7, 795 и 14600 С у Мо. О 3), -рыхлая крист. решетка, силь отличающаяся от маталла 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 77

Взаимодействие с водородом и азотом С водородом металлы VI-группы и рений в твердом состоянии не взаимодействуют n Металлы IV- и V-групп активно взаимодействуют с водородом выше 250 -3000 С с образованием гидридов n С азотом взаимодействуют все тугоплавкие металлы, особенно IV группы, меньше других хром n 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 78

Защитные атмосферы и покрытия Защитные атмосферы: вакуум, аргон, водород (для W и Mo) Защитные покрытия получают хромированием, силицированием, оксидированием (Al 2 O 3, Th. O 2, Zr. O 2), многослойным вакуумным напылением (Cr, Si) с последующим диффузионным отжигом 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 79

Механические свойства 2 основные проблемы –хладноломкость и жаропрочность Температурные зависимости относительного сужения 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 80

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 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 81

Растворимость углерода, азота и кислорода в тугоплавких металлах VА и V 1 А-подгрупп при комнатной температуре Металл Растворимость ▪ 10 -4 , % углерода азота кислорода Молибден 0, 1 -1 1 1 Вольфрам < 0, 1 <1 Ниобий 100 200 1000 Тантал 70 1000 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 82

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 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 83

Схемы изменения температуры хрупко -вязкого перехода тугоплавких металлов (Тхр) при легировании 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 84

Способы уменьшения хладноломкости n n n Снижение концентрации примесей внедрения Устранение сетки высокоугловых границ Создание полигонизованной структуры Измельчение зерна Легирование рением и химически активными элементами 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 85

Температурные зависимости предела прочности (а) и удельной прочности (б) тугоплавких металлов а 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ б 86

Влияние легирования на жаропрочность n n n 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 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 87

Диаграмма состояния Ti – Mo 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 88

Диаграмма состояния Mo – W 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 89

Диаграмма состояния Zr – Nb 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 90

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) 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 91

Температурные зависимости предела прочности вольфрамовых сплавов 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 92

Расшифровка кривых на слайде 94 Номер кривой Сплав Метод получения Состояние или обработка 1 100% W Порошковая металлургия Деформированный лист 2 W 100%W -”- Кованный пруток 3 W +10%Mo -”- 4 W +15%Mo Дуговая плавка -”- 5 W +20%Mo Электроннолучевая плавка 12050 С, 1 час 6 W +25%Mo Порошковая металлургия Кованный пруток 7 W +30%Mo Электроннолучевая плавка 12050 С, 1 час 8 W +50%Mo Порошковая металлургия Кованный пруток 9 W +1%Th 02 -”- 10 W +2%Th 02 -”- 11 W +0, 12%Zr Дуговая плавка Прессование, ковка 12 W +0, 57%Nb -”- 13 W +0, 88%Nb -”- 14 W +0, 38%Ta. C Порошковая металлургия Ковка + 10000 С, ½ ч 15 W +1. 18%Нf + 0, 086%С -”- Прессование, ковка 16 W +0. 48%Zr + 0, 048%С -”- 17 Cплав ВВ 2 Дуговая плавка -”- 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 93

Химический состав и свойства молибденовых сплавов в отожженном состоянии Среднее содержание, % Температура начала рекристаллизации, 0 С σв при 1315 0 С, МПа σ100 при 1315 0 С, МПа Марка сплава Ti Zr W Nb C Mo - - <0. 005 1100 150 30 ЦМ-5 - 0, 45 - - 0, 05 1600 360 140 ЦМ-2 А 0, 2 0, 1 - - ≤ 0, 004 1300 160 при 1400 0 С 65 до 0, 6 - ≤ 0, 01 1300 190 при 1400 0 С 90 при 1200 0 С - 1, 4 0, 3 1650 380 265 ВМ-1 ВМ-3 2/8/2018 до 0, 4 0, 15 1 0, 45 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 94

Химический состав и свойства ниобиевых сплавов Плотность, г/см 3 Температура начала рекристаллизации, 0 С Предел прочности в отожженном состоянии при 12000 С σв, МПа Группа сплавов Марка сплава Среднее содержание легирующих элементов, % Малопрочные ВН-2 4, 5 Mo 8, 6 1000 190 ВН-2 А 4 Mo; 0. 7 Zr; <0, 08 C 8, 65 1200 240 ВН-3 4, 6 Mo; 1. 4 Zr; 0. 12 C 8, 6 1200 250 ВН-4 9, 5 Mo; 1, 5 Zr; 0, 3 C; 0, 03 Ce; La - 1400 2500 Среднепрочные Высокопрочные 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 95

Радиоактивные металлы Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“

План раздела n n n 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 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 97

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. 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 98

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/c 2, 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 Мэ. В (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) 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 99

Разновидности реакций распада ядер радиоактивных изотопов (естественная радиоактивность) 1. 2. 3. - распад с выделением –частицы (ядра гелия с М=4 и Z=2). При этом образуется новое ядро. Например, 226 Ra 88 4 2 + 222 Rn 86. Позитронный или +-распад (позитрон – 0 e+1) Например, 30 P 15 0 e+1 + 30 Si 14 + 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, 55 Fe 26 + 0 e-1 54 Mn 25 + 1 n 0. При избытке нейтронов в ядре они распадаются: 1 n 0 1 P 1 + 0 e-1 +0 0. 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 100

Реакции при бомбардировке ядер частицами n n n 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 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 101

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 см 2). -Наилучшие частицы-бомбардиры – нейтроны, которые легко можно получать в реакторах и для которых не существует кулоновского барьера. 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 102

Схема зависимости энергии связи ядра на 1 нуклид (Q/М) от массового числа М Реакцией деления можно управлят С Синтез ядер и (идет в термоядерных реакциях) пока неуправляем 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 103

Схема зависимости % выхода образующихся при делении ядер урана и тория от массового числа М 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 104

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 n 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 105

Ядерный реактор n n 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 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 106

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 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 107

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) 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 108

Принципиальная схема ТВЭЛа (поперечное сечение) 1 – пруток ядерного горючего; 2 – внутренняя оболочка; 3 – внешняя оболочка; 4 – канал для теплоносителя 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 109

УРАН Изотопный состав урана и реакции при захвате нейтронов ядрами 238 U Изотопы урана: 234 U 238 U (0, 006%), 235 U (0, 712%), 238 U (99, 28%) делится только быстрыми нейтронами с большой энергией. При взаимодействии с тепловыми нейтронами: + n 239 U 92 + 239 U 239 Np + e 92 93 -1 239 Np 239 Pu + 0 e 93 94 -1 238 U 235 U 2/8/2018 92 Значительного выделения энергии в этих реакциях не происходит. является топливным сырьем для получения Pu. является легко делящимся тепловыми нейтронами изотопом Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 110

Физические, химические свойства и полиморфные превращения в уране Температура плавления урана 1132 0 С. n (ОЦК) – модификация U стабильна при охлаждении до 764 775 0 С. n -фаза (сложная тетрагональная решетка) – существует в диапазоне от 7750 665 0 С n (ромбическая решетка) – ниже 665 0 С n Переход β →α происходит с сильным уменьшением объема (плотность увеличивается с 18, 1 до 19, 1 г/см 3), это вызывает большие внутренние напряжения n Низкая электро – и теплопроводность ( = 30 мк. Ом 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 n 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 111

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% 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 112

Изменение формы и размеров U при облучении и ТЦО 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 113

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 0 С) из-за образования при делении ядер ксенона и криптона 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 114

Размерная нестабильность в условиях многократных теплосмен n n n 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 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 115

Зависимость изменения длины уранового стержня от числа циклов нагрева и охлаждения 100 0 С 500 0 С 1 – после прокатки при 300 0 С и отжига при 575 0 С; 2 – после прокатки при 600 0 С и отжига при 575 0 С; 3 – после прокатки при 600 0 С и закалки из – области СС кк о р о с т ь Скорость роста падает С с ослаблением к текстурованности 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 116

Сплавы урана n n 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 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 117

Керамическое и дисперсионное ядерное горючее (ЯГ) n n 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) 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 118

Фазовая диаграмма системы U – Mo 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 119

Фазовая диаграмма системы U – Zr 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 120

Плутоний и его сплавы Полиморфизм плутония Полиморфные превращения в плутонии Tпп, 0 С Кристаллическая решетка аллотропических модификаций Pu Плотность, г/см 3 472 - ОЦК 16, 5 450 - объемноцентрированная 16 тетрагональная 310 - ГЦК 15, 9 218 - гранецентрированная 17, 1 ромбическая 119 - объемноцентрированная 17, 8 моноклинная - простая моноклинная 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 19, 8 121

Свойства плутония ■ -Pu – еще более химически активен, чем уран, радиационно опасен из-за - и -излучения, обладает очень большим КТР и электросопротивлением (145 мк. Ом. 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. 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 122

Салавы плутония Сплавы Pu c Al (на основе Al – дисперсионное ЯГ – сл. 128) n Сплавы с переходными металлами (Zr, Ce, Fe) n Сплавы Pu-U, Pu-Th и Pu-U-Mo для реакторов на быстрых нейтронах n Фиссиум – сплавы U-Pu со смесью продуктов деления (в основном Mo и Ru) n Сплавы Pu с Fe, Ni, Co с низкой Тпл для жидкого ядерного горючего ■ Сплавы Pu c Ga – стабилизация -фазы сильно уменьшает объемные изменения n 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 123

Температурные зависимости изменения длины Pu и его сплавов с Ga 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 124

Растворимость некоторых добавок в и модификациях Pu Фазы Легирующий элемент Алюминий 13 – 16 12 Цинк 6 3– 6 Церий 24 14 Торий 4 4– 5 Титан 4, 5 8 Железо 1, 4 – 1, 5 3 Цирконий 70 – 72 Полная Уран 1 Влияние легирующего элемента на нижнюю границу области Полная 2/8/2018 Повышает Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 125

Фазовая диаграмма системы Pu – Al 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 126

Фазовая диаграмма системы Pu – Zr 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 127

Фазовая диаграмма системы Pu – U 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 128

Фазовая диаграмма системы Pu – Fe 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 129

Торий и его сплавы Реакции превращения 232 Th n n n n n + n 232 Th 90 + 90 233 Pa 232 Th в 233 U + 0 e-1 91 233 U 92 +e Т-ра плавления технического Th 1690 0 С. При 1400 0 С -Th с ГЦК решеткой переходит в -Th с ОЦК решеткой. Плотность - Th 11, 65 г/см 3, Удельное электросопротивление 20 -30 мк. Ом·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 235 U 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 130

Фазовая диаграмма системы Th – U 2/8/2018 Курс “Структура и свойства цветных металлов и сплавов“ 131