Жаропрочность тугоплавких металлов и механические свойства

         Содержание  

Введение ................................................................................................................ 3

1. Жаропрочность тугоплавких металлов .......................................................... 4

2. Механические свойства тугоплавких металлов ............................................. 8

Заключение .......................................................................................................... 11

Список  литературы ............................................................................................ 12 
                                               Введение   

                Тугоплавкими металлами называются металлы, температура плавления которых выше, чем у железа. Они характеризуются высокой жаропрочностью и низкой жаростойкостью. Кроме того, их модули упругости слабо зависят от температуры, что позволяет расширить интервал рабочих температур до 0,55=0,65 температуры плавления металла-основы. Тугоплавкие металлы хорошо противостоят воздействию жидких щелочных металлов, которые применяются в качестве теплоносителей, пленок на эмиттерах в термоэмиссионных преобразователях. Они обладают хорошей совместимостью с ядерным горючим, особенно тантал и вольфрам.

              Сечение захвата тепловых нейтронов у них (особенно у вольфрама и тантала) сравнительно велико. Однако с ростом энергии нейтронов существенно уменьшается. Эти достоинства делают тугоплавкие металлы и сплавы на их основе весьма перспективными для использования в ядерной технике. в частности, для изготовления оболочек ТВЭЛов в реакторах на быстрых нейтронах и жидкометаллическими теплоносителями. Наиболее благоприятное сочетание жаропрочных, коррозионных, ядерных характеристик и технологических свойств (деформируемость, свариваемость) – у ниобия, способного работать при температурах 1000-1100 °С в течение сотен и тысяч часов.

              Крупным недостатком тугоплавких металлов является их интенсивное взаимодействие с кислородом при температурах выше 400-600 °С. Легирование в этом случае мало эффективно, поэтому при работе в кислородосодержащих средах применяют защитные покрытия. Кроме того, они химически активны к другим газовым примесям внедрения – углероду, азоту, а металлы Vа-подгруппы – к водороду. В результате резко снижается пластичность вплоть до высокотемпературной хрупкости.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                      1. Жаропрочность  тугоплавких металлов 

       Важнейшей характеристикой тугоплавких металлов являются их жаропрочные свойства и совместимость с горючим и жидкими металлическими теплоносителями. Хотя данные о влиянии облучения на свойства тугоплавких металлов немногочисленны, они дают основание предполагать, что общий характер этого влияния такой же, как и в случае других металлов и сплавов. Под действием облучения тугоплавкие металлы, как правило, упрочняются, а их пластичность падает. Так, при облучении флюенсом 2 · 10²⁰ нейтр./см² (Е≥0,6 МэВ) и 10²⁰ нейтр./см² (Е≥0,6 МэВ) прочности ниобия при 20°С возрастает от^; 496 до 533 МПа, а относительное удлинение снижается от 20,6 до 7,0%, т. е. почти в 3 раза. При этом наблюдается выравнивание значений временного сопротивления и предела текучести: если до, облучения ниобия они различались на 88 МПа, то после облучения— лишь на 15 МПа. Последнее особенно ярко проявляется в случае молибдена, облученного флюенсом 8X10²⁰ нейтр./см² (E≥1МэВ), у которого эти характеристики при температуре ниже 300°С практически одинаковы (рисунок 1). 

     Облучение приводит также к повышению температуры  перехода тугоплавких металлов из пластичного  состояния в хрупкое. Например, облучение молибдена и вольфрама флюенсом 5·10¹⁹ нейтр./см² (E≥1 МэВ) увеличивает температуру перехода соответственно на 60 и 120°С.  Поскольку температура перехода из пластичного состояния в хрупкое, а также другие свойства тугоплавких металлов существенно зависят от содержания примесей, повышение чистоты металла должно сопровождаться более сильным изменением его свойств, под действием облучения. Действительно, ниобий электронно-лучевой плавки, облученный флюенсом 10¹⁹ нейтр./см², упрочняется значительно сильнее, чем ниобий, содержащий 0,5% примесей. Влияние примесей на чувствительность свойств металла к облучению нельзя рассматривать в отрыве от структурного состояния. Электронно-микроскопические исследования молибдена, облученного при 60 °С флюенсом 2·10²² нейтр./см², показали, что облучение приводит к образованию скоплений точечных дефектов со средним диаметром 60 Å. Последующий отжиг при температуре до 600 °С мало влияет на размеры скоплений, а в интервале 600-800°С происходит некоторое их укрупнение (от 95 до 140 Å).

      Изменение свойств тугоплавких металлов при  облучении имеет обратимый характер: оно устраняется последующим отжигом при высокой температуре, близкой к 0,4—0,5 Т_пл. Так, свойства молибдена, облученного флюенсом 2·10²² нейтр./см², практически восстанавливаются после отжига при температуре выше 1000°С, а свойства вольфрама, облученного флюенсом (1,4÷80) · 10¹⁹ нейтр./см², восстанавливаются при температуре ≈1350°С. В связи с этим можно предположить, что при рабочей температуре, близкой к температуре рекристаллизации, влияние облучения на механические свойства тугоплавких металлов будет сравнительно небольшим.

      В соответствии с диаграммами состояния  взаимодействие тугоплавких металлов с ураном состоит главным образом во взаимном растворении (рисунок 2).  Плохо совместимы с ураном хром и ванадий (рисунок 2a), которые образуют с ним наиболее легкоплавкие эвтектики. При температуре, превышающей температуру плавления эвтектик, взаимодействие чрезвычайно интенсивно.  

       Совместимость других тугоплавких металлов с ураном значительно лучше и увеличивается в ряду Мо, Nb, Та, W (таблица 1).

      При контакте с жидким ураном тугоплавкие  металлы растворяются в нем, причем растворение носит в основном фронтальный характер. Такое растворение характерно, например, для молибдена и ниобия. Кроме того, может происходить проникновение урана в тугоплавкие металлы по границам зерен.  В таблице 2 приведены данные по совместимости некоторых тугоплавких металлов с уран-плутониевым сплавом (U+20% Pu+10% Fе). Видно, что при 600°С ниобий в значительно большей степени совместим с этим сплавом, чем ванадий и молибден, а при температуре 700 и 800°С — наоборот. При 800°С в порядке возрастания совместимости металлы можно расположить в ряд Та, Nb, V, причем тантал уступает ниобию почти в 1,5 раза, ванадию — в 3 раза, молибдену — в 8 раз. Таким образом, легирование урана может сильно влиять на его совместимость с тугоплавкими металлами. 

Таблица 1

Глубина проникновения урана  в тугоплавкие  металлы при различной  температуре и  длительности испытания

Таблица 2

Время   (сутки)   сквозного   диффузионного   проникновения   сплава U + 20%   Pu + 10%   Fs через оболочки заданной толщины при различной температуре

     С плутонием, который при температуре  выше 640 °С находится в жидком состоянии, взаимодействие тугоплавких металлов, по-видимому, должно быть примерно таким  же, как и с жидким ураном. Однако необходимо отметить, что плутоний более агрессивен, чем уран. Совместимость тугоплавких металлов с неметаллическим ядерным горючим — оксидами, карбидами, нитридами, сульфидами, — как правило, выше, чем с металлическим. Максимальная рабочая температура в таких системах намного превышает 1000 °С, а в некоторых случаях — даже 2000 °С. Еще более высокая рабочая температура, по-видимому, может быть достигнута при использовании моносульфида и двуокиси урана, а также ядерного горючего на основе монокарбида урана. По совместимости с тугоплавкими металлами моносульфид урана превосходит его карбиды и нитриды. Тем не менее такие композиции, как UN—Мо и UN—W, могут оказаться пригодными для использования в дисперсионных ТВЭЛах ядерных ракетных двигателей.

      Высокая совместимость тугоплавких металлов с соединениями урана может быть связана с тем, что последние обычно плавятся при значительно более высокой температуре, чем металлический уран. Так,  температура плавления оксидов состава U0₂,₀, UO₁,₉ и UO_1,75 соответственно равна 2880,  2770 и  2550 °С, температура плавления карбидов UC и UC₂ - 2535 и 2450—2500 °С, а температура плавления соединений US и UN — 2450 и 2800 °С. Следует отметить, что в рассматриваемых системах, как и в аналогичных системах с металлическим ураном, возможно образование сравнительно легкоплавких структурных составляющих. Например, в системах UC—Сr и UC—W образуются эвтектики с температурой плавления 1315 и 2180°С, соответственно. Однако если сравнить эти значения с температурой плавления эвтектик в системах U—Сr и U—W (859 и 1135°С, соответственно) и с температурой плавления урана (1132 °С), то преимущество систем с соединениями урана становится очевидным.

      Хотя  сведения о характере взаимодействия в рассматриваемых системах весьма немногочисленны, есть основания полагать, что оно определяется, в первую очередь, термодинамическими соотношениями. Если соединение урана с металлоидом термодинамически менее прочно, чем аналогичное соединение тугоплавкого металла, то происходит диффузионное перераспределение металлоида из ядерного горючего в тугоплавкий металл. Оно сопровождается разрушением исходного соединения урана и образованием новых фаз, т. е. диффузия носит реактивный характер. В этом случае кинетика процесса обычно подчиняется параболическому закону.

      В заключение необходимо отметить, что  по совместимости с ядерным горючим  тугоплавкие металлы, за исключением, может быть, хрома и ванадия, значительно  превосходят сплавы на основе железа и никеля и их можно рассматривать  как наиболее перспективные материалы для изготовления оболочек ТВЭЛов, работающих при температуре 1000°С и выше в реакторах на быстрых нейтронах, охлаждаемых жидкометаллическими и газовыми теплоносителями.