Физические и химические свойства металла. Зависимость их от чистоты. Примеси и загрязнения. Требования к урану и его сплавам

Уран по своим свойствам является переходным элементом 5 f -ряда: его полиморфизм и кристаллические решётки низкотемпературных модификаций, размер атома, температура плавления соответствуют закономерностям изменения этих свойств в рядах 4 f - и 5 f -элементов. Однако при химическом взаимодействии, в том числе и при образовании сплавов, уран выступает в некоторой степени и как 6 d -металл. Эта двойственная химическая природа урана выражена в строении его внешней электронной оболочки атома, описываемой электронной формулой 5 f ³6 d ¹7 s ² и обусловлено близостью 5 f - и 6 d -орбиталей. Неукомплектованность внешней электронной оболочки делает его чрезвычайно химически активным металлом. Эта химическая активность также ставит уран в ряд f -элементов (вспомним о высокой химической активности лантаноидов), поскольку химическая активность хрома, молибдена и вольфрама (которые бы являлись аналогами урана, рассматриваемого как 6 d -элемент) значительно ниже.

Уран имеет несколько изотопов. Однако физико-химические свойства всех изотоп урана, за исключением плотности, практически одинаковы.

Металлический уран образует три кристаллические модификации – α, β и γ. α-фаза – низкотемпературная, β-фаза является промежуточной и γ-фаза – высокотемпературной.

Кристаллическая структура низкотемпературной модификации α-урана (4 атома на эл. ячейку) является орторомбической:

Кристаллическая структура α-урана.

Кристаллическую решётку α-урана можно рассматривать как состоящую из образованных плотноупакованными атомами «волнистых» плоскостей (010) с волнистостью параллельной [100].

При повышении температуры уран переходит в β-фазу, которая имеет тетрагональную кристаллическую решётку. На элементарную ячейку при этом приходится 30 атомов. В структуре имеются три сорта атомных плоскостей, перпендикулярных оси с.

Проекция структуры β-фаза урана на плоскость (001).

а – слой типа А, б – слой типа Б, в – слой типа В. Упаковка АБ, АВ, АБ, АВ.

γ-уран имеет характерную для металлов ОЦК решётку с 2-мя атомами на элементарную ячейку.

За время исследований свойств урана значения температур его фазовых превращений претерпели значительные изменения. Долгое время за температуру его плавления принимали величины на сотни градусов превышающие действительную (вплоть до 1690 ^о в справочнике 1935 г.). В настоящее время для чистого урана 99,99% установлены температуры 1129,8 ^оС для плавления и 1129,6 ^оС для затвердевания.

В тоже время известно, что примесь 0,05% (1,2 ат. %) углерода в уране приводит к образованию эвтектики с температурой плавления 1116,6 ^оС.

Фазовая диаграмма двойной системы уран-углерод.

Методом термического анализа на уране той же чистоты при скорости нагрева 1-2^о в минуту α→β→γ превращения были определены при 665,6 и 771,1^о, а обратные превращения γ→β→α при охлаждении при 766,5 и 656,7^о.

За температуру плавления в настоящее время принимаются величины 1129-1133 ^оС.

При 0,68 К уран переходит в сверхпроводящее состояние.

Фазовые превращения металлического урана.

Скорость фазовых превращений очень важна как в металловедении, так и при термообработке металла.

Большое влияние на температуру и скорость превращений оказывают легирующие добавки. Как правило, они затрудняют фазовые превращения. Сильно могут быть смещены и температуры фазовых переходов. Например, добавкой кремния можно снизить температуру превращения β-U → α-U до 330-270 ^оС (в зависимости от концентрации Si и скорости охлаждения).

Температуры фазовых переходов также зависят и от скорости охлаждения, равно как и то чистоты металла.

Влияние скорости охлаждения на температуры γ→β и β→α превращений для чистого (1, 2) и промышленного (3) урана.

Физические и механические свойства различных фазовых модификаций урана различны.

Плотность урана зависит как от температуры, так и от фазового состояния.

Зависимость плотности металлического урана от температуры.

На физические свойства влияет также и механическая обработка.

Обработанный свободной прокаткой литой уран с исходной плотностью ρ_исх. = 18,7-18,8 г/см³ может снизить плотность до ρ_кон. = 18,0-18,2 г/см³.

Плотность урана зависит и от концентрации примесей, в частности углерода – ρ_U = f (конц. С):

ρ_U = 19.04 – 2.14 · C, С – содержание углерода, масс.%.

Точку кипения урана непосредственным измерением определить практически невозможно. Её подсчитали путём экстраполяции до атмосферного давления различных данных об упругости пара урана. За температуру кипения урана принимают 3818 ^оС (пример некритической экстраполяции). В. Холден более правильно оценивает t_кип. = 3700-4200 ^оС.

Для интервала температур 1360-1700 ^оС имеется следущая зависимость:

lg(P_U) = 15.4 – 10⁵ / 4.57·T – 2.04·lgT (P_U в мм.рт.ст.)

Это означает, что при t=1400 ^оС P_U ~ 5 10^{-6 мм.рт.ст.}

t=1700 ^оС P_U ~ 5 10^{-4 мм.рт.ст.}

т.е. вполне возможна дистилляция металлического урана при низких остаточных давлениях инертного газа < 10^{-6 мм.рт.ст.}

Строение литого урана.

Зерно – 1,5-2 мм. Субзёрна 200-500 мкм. Различие в кристаллографической ориентировке < 10 град. Блоки с сильно изрезанными границами с дезориентировкой порядка минут.

Литой и горячекатаный медленноохлаждённый уран имеет крупнозернистую дендритную макроструктуру; в крупных отливках величина отдельных зёрен достигает 30 мм. Закалка из β-состояния измельчает макрозерно до порядка 1 мм, это же происходит и в случае закалки из γ-состояния, однако в этом случае возникает радиальная направленность зёрен даже в горячекатаных прутках. Макрозёрна – это зёрна, существовавшие в β- или γ-состояниях при температуре закалки. Микрозёрна возникают в результате образования α-урана и в свою очередь дробятся на субзёрна, отличающиеся по ориентировке кристаллической решётки на 5-10^о друг от друга. Микрозёрна в отсутствие текстуры весьма различны по ориентировке. Величина микрозерна горячекатаного и литого урана составляет 0,5-0,8 мм, закалка из β- или γ-состояния измельчает его до 0,07-0,15 мм.

Многие транспортные свойства λ, æ, D и др. сильно зависят от ориентации, т.е. весомо сказывается анизотропия отдельных кристаллов и текстура металла (зависящая от обработки).

Механические свойства урана (твёрдость, модуль упругости, относительное удлинение) сильно анизотропны и определяются содержанием загрязнений, легирующих добавок и характером термомеханической обработки.

Зависимость предела прочности (текучести) металлического урана от температуры.

Зависимость твёрдости металлического урана от температуры.

Зависимость величины относительного удлинения металлического урана от температуры.

α-Уран может претерпевать пластические деформации в то время как β-уран малопластичен. γ-Уран в области устойчивого состояния чрезвычайно пластичен. В γ-фазе уран обладает настолько низким сопротивлением деформированию, что металл может деформироваться под действием собственного веса.

При понижении температуры ниже нуля уран переходит из пластичного состояния в хрупкое. Примеси обычно повышают температуру перехода из хрупкого состояния в пластичное, следовательно при легировании металл становится менее пластичным.

Уран легко подвергается наклёпу, особенно при первом обжатии до 20%. Наклёп начинает сниматься с t ~ 150 ^оС, но полный отжиг достигается лишь при t = 600-650 ^оС, т.е. при наиболее высоких температурах, при которых устойчива фаза α-U.

Т_{рекрист.} ~ 0,4 · Т_пл. = 0,4 · 1400 ~ 560 К

U может разрушаться и при небольших нагрузках вследствие усталости при циклических изменениях нагрузки или температуры – при термических колебаниях – качаниях.

Стабильность размеров урана при циклической обработке представляет интерес с точки зрения применения урановых сердечников в реакторах с таким выделением энергии, при котором температура в центральной части сердечника превышает температуру α-β превращения. Последовательные остановка и пуск реактора вызывают большую деформацию стержней, обусловленную большими объёмными изменениями при фазовом превращении. На примере кальциетермического и магниетермического урана было показано, что диаметр стержня после 75 циклов с переходом через температуру α-β превращения увеличивается примерно на 4%.

Пример влияния термоциклической обработки на размеры и форму образца металлического урана представлен на рисунке.

Внешний вид образцов из урана до и после циклической термической обработки с α→β→γ превращениями: а – образец до обработки; б – е – образцы после 50, 100, 187, 250 и 1000 циклов соответственно (увел. ×1,7).

Дата добавления: 2014-01-07