» » Формоизменение металлов, связанное с фазами или аллотропическими превращениями
05.01.2015

Уже давно известно, что фазовые превращения сопровождаются изменением формы изделий. Однако лишь в последние годы стали появляться подробные исследования, посвященные «росту» при повторных теплосменах. Это связано как с повышенным интересом к проблеме формоизменения вообще, так и с чисто практической необходимостью, возникающей в основном в атомной энергетике. Дело в том, что увеличение максимальной температуры реактора выше температуры превращения α⇔β или даже β⇔γ урана, позволило бы значительно удешевить вырабатываемую энергию и стоимость плутония. К сожалению, это не так просто сделать из-за вредного влияния формоизменения.
Формоизменение металлов, связанное с фазами или аллотропическими превращениями

Насколько это влияние серьезно, можно убедиться, рассматривая фиг. 126, на которой показано, что происходит с урановым цилиндром после циклического перехода через точки α⇔β⇔γ-фазовых превращений. Сравнение исходного образца (а) с тем, что от него «остается» после 250 циклов (∂), говорит само за себя и не нуждается в дальнейших пояснениях.
Перечислим вкратце основные экспериментальные результаты, накопленные к настоящему времени.
Некоторые исследователи отмечают, что связь коэффициента роста с числом циклов фазового перехода в общем случае нелинейна, хотя и тяготеет к линейной. Так, по данным Мак-Интоша, формоизменение урана и его сплавов ничтожно в первые теплосмены, но после 10—50 циклов начинает накапливаться с постепенно возрастающим темпом, пока не будет достигнут установившийся режим, характеризующийся постоянством деформации за цикл.
Это соответствует также наблюдениям С. Ф. Ковтуна на сталях и некоторым другим исследованиям.
Формоизменение металлов, связанное с фазами или аллотропическими превращениями

В качестве примера на фиг. 127 приведены две типичные кривые, иллюстрирующие увеличение диаметра цилиндра из сплава урана с 2,1 ат. % V в функции числа циклов α⇔β-превращений. Они относятся к медленным теплосменам (скорость нагрева и охлаждения около 3—5° С/мин.), которые производились в небольшом температурном интервале, включающем точку фазового α⇔β-перехода. Как видно, если в первые теплосмены коэффициент роста равен нулю, то через 75 циклов он составляет около 14,5*10в-5 1/цикл для сплава, содержащего мелкие включения эвтектоидного типа, и до 53,5*10в-5 1/цикл для сплава с грубыми игольчатыми включениями второй фазы.
Имеются сведения, что остающееся формоизменение цилиндров из Армко-железа наращивается пропорционально числу теплосмен.
До сих пор не сделано еще попытки объяснить причину нелинейности кривых «коэффициент роста—число циклов».
Из параметров, характеризующих термическое воздействие, в основном исследовано влияние скоростей нагрева и охлаждения. Хейворд обнаружил, что цилиндрические урановые блоки реактора (длина 25,4—76,2 мм и диаметр 12,7—19,0 мм) интенсивно сокращаются в длине и утолщаются в диаметре, когда теплосмены состоят в медленных колебаниях температуры от 630 до 680° С с периодом 15 мин., но деформируются в противоположную сторону, как только их начинают быстро нагревать в солевой ванне до 680° С и охлаждать в воде до 20° С. Автору удалось достаточно убедительно показать, что перемена знака присуща формоизменению, связанному именно с фазовыми превращениями, а не с чем-либо иным (анизотропия расширения, градиент температуры). Во всяком случае, теплосмены вне области фазового превращения не приводили к таким особенностям.
Основные результаты опытов Хейворда приведены в табл. 22 и полностью подтверждают высказанное выше соображение.
Формоизменение металлов, связанное с фазами или аллотропическими превращениями

Диаметрально противоположное влияние скорости нагрева по сравнению со скоростью охлаждения было обнаружено С. Ф. Ковтуном в опытах с Армко-железом. Подвергая цилиндрические образцы Армко-железа (длиной 100 мм и диаметром 8,05 мм) термическим циклам от 300 до 1000° С, он нашел, что в зависимости от соотношения скоростей нагрева и охлаждения они могут и удлиняться, и укорачиваться или сохранять свою форму. Например, при нагреве со скоростью 30° С/мин. и охлаждения со скоростью 6° С/мин. цилиндры интенсивно сокращаются в длине с коэффициентом роста около — 29*10в-5 1/цикл; при нагреве же со скоростью 2° С/мин. и охлаждении со скоростью 80° С/мин., наоборот, наблюдается увеличение длины с коэффициентом роста 67*10в-5 1/цикл.
Соответствующие экспериментальные данные представлены на фиг. 128.
Автор работы подчеркивает, что ему удавалось подобрать и такой темп изменения температуры, при котором размеры образцов сохранялись. Так, в описанном выше опыте с Армко-железом для этого достаточно было производить нагрев со скоростью 60° С/мин. и охлаждение со скоростью 75° С/мин.
Формоизменение металлов, связанное с фазами или аллотропическими превращениями

Полученные С. Ф. Ковтуном данные имеют простое объяснение: при варьировании темпа изменения температуры в принципе возникают два крайних состояния. Если имеется градиент температуры (в области α⇔γ-перехода), то превращение α→γ или γ→α последовательно охватывает слои материала, перемещаясь фронтом от края к центру, в силу чего в образце образуются большие напряжения, релаксирующие за счет пластического течения. Если же градиент температуры ничтожен, то аллотропическое превращение α→γ или γ→α развивается сразу во всем объеме материала, и последний переходит из одного состояния в другое, не испытывая внутренних усилий. Совершенно очевидно далее, что использование быстрого нагрева и медленного охлаждения вместо медленного нагрева и быстрого охлаждения сопровождается переменой знака действующих фазовых напряжений. И поскольку пределы текучести α- и γ-фаз мало отличаются друг от друга, это должно немедленно сказаться на направлении формоизменения по той же самой причине, что и в явлении «роста», вызываемого температурными градиентами.
Автор работы нашел в общем правильный путь для объяснения обсуждаемого эффекта, хотя и не смог достаточно строго обосновать свои рассуждения, упустив из виду, что дело здесь не только в перемене знака напряжений, но в значительной мере и в близости пределов текучести α- и γ-фаз (при температуре превращения). Интересно отметить, что если бы пределы текучести (или времена релаксации напряжений) у α- и γ-фаз были одинаковы, то формоизменение — в соответствии с теорией, развитой ранее — не имело бы места; с другой стороны, при очень большой разнице в пределах текучести не должна была бы наблюдаться смена знака коэффициента роста, так как в этом случае пластическое течение развивалось бы или только в области сжимающих напряжений в α-фазе или только в области растягивающих — в γ-фазе.
Согласно сообщению, коэффициент роста урановых стержней при α⇔β-преврашении тем больше, чем толще образец. Там же упоминается, что урановые шары, катанные в α-фазе, не изменяют своей формы, а цилиндры становятся похожими на катушки (ср. также с фиг. 13).
По данным α⇔β-фазовое превращение урана (при теплосменах от 610 до 710° С) вызывает сокращение длины и увеличение толщины цилиндров, в то время, как β⇔γ-превращение (при теплосменах от 710 до 810° С) действует в противоположную сторону.
Некоторые исследования выполнены с целью изучения действия легирующих добавок. Например, по наблюдениям С. Ф. Ковтуна, введение углерода в сталь в количестве примерно 1 % уменьшает формоизменение, связанное с α⇔γ-превращением. При больших же концентрациях оно приводит даже к смене знака эффекта. Это хорошо видно из фиг. 129. Если за 300 циклов длина образца из Ст. 3 уменьшается на 26%, а из стали У8А на 10%, то для стали У12А она, наоборот, увеличивается примерно на полтора процента. С.Ф. Ковтун в своем сообщении обошел молчанием причину такого влияния углерода.
Формоизменение металлов, связанное с фазами или аллотропическими превращениями

Хейворд не так давно описал действие небольших легирующих добавок ниобия, хрома, висмута, олова, алюминия, кремния, молибдена и циркония на формоизменение урана при циклических переходах через α⇔β-преврашение. В табл. 23 приведены основные полученные им данные. К сожалению, автору не удалось найти однозначное толкование роли того или иного элемента, так как эффективность их действия оказалась различной в зависимости от способа приготовления. Так, из табл. 23 следует, что добавка 1,6 вес. % Nb очень вредна в горячепрессованных сплавах, но целесообразна в холоднопрессованном и затем спеченном уране. В то же время кремний в количестве 0,5 вес.% оказывает одинаковое влияние, независимо от технологии получения сплава. Следовательно, налицо значительная роль структуры материала. В опытах Хейворда структура была различной для горяче- и холоднокатаных сплавов. Некоторые сведения о ней (величина зерна, твердость) можно почерпнуть из той же табл. 23.
Формоизменение металлов, связанное с фазами или аллотропическими превращениями

Мак-Интош также отмечает, что состояние сплавов урана при заданном химическом составе существенно сказывается на коэффициенте роста при α⇔β-превращениях. По его данным, цилиндры из сплава урана с 2,1 ат. % V укорачиваются гораздо сильнее тогда, когда в структуре содержатся мелкие включения эвтектоидного типа, чем тогда, когда последние носят грубый игольчатый характер (см. фиг. 127).
Описание опытов, посвященных исследованию легирования урана, содержится и в работах, однако анализ их затруднителен из-за присутствия дополнительного механизма формоизменения, связанного с анизотропией коэффициента термического расширения.
По нашему мнению, наиболее поучительные сведения были приведены Мак-Интошем в его женевском докладе. В табл. 24 приведены основные результаты экспериментов. Они относятся к спокойным теплосменам в интервале температур 50° С, охватывающем область α⇔β-преврашения.
Формоизменение металлов, связанное с фазами или аллотропическими превращениями

Формоизменение металлов, связанное с фазами или аллотропическими превращениями

Из табл. 24 следует, что магнийтермический и кальцийтермический уран и уран с присадками алюминия, железа, серебра, тантала и тория, а также отчасти сплавы с ниобием, рутением и оловом и в особенности с германием, ванадием, титаном и палладием имеют большую склонность к формоизменению, в то время как сплавы с молибденом, платиной и хромом отличаются исключительной стабильностью размеров.
Для объяснения этих эффектов следует обратиться к теории, развитой ранее. Там было показано — и это соответствует также взглядам Баркли, Хардинга и Уолдрона, — что необходимыми условиями формоизменения являются: во-первых, конечное изменение объема при превращении, так как в противном, случае не было бы напряжений, а следовательно, и причины формоизменения; во-вторых, определенное сочетание геометрии внешних форм изделия и распространения фронта зарождающейся фазы (при возникновении напряжений первого рода) или наличие текстуры материала (при появлении напряжений второго рода) с тем, чтобы в образце можно было найти преимущественное (в отношении физических условий эксперимента) направление; в-третьих, определенная разница в физико-механических свойствах фаз при температуре превращения, например разница во временах релаксации напряжений (I. 52), в пределах текучести (I. 57) или энергиях активации (I. 56), если считать, что константы А, γ, Е, . . . одинаковы для обеих фаз.
Когда хотя бы одно из этих условий не выполняется, формоизменение не должно иметь места. Первое и второе условия, в сущности, тривиальны. Третье — не так очевидно, но было достаточно строго обосновано ранее. Оно, грубо говоря, требует конечного «скачка» механических свойств При температуре превращения. Схематически это изображено для двух (1,2) гипотетических материалов на фиг. 130. Очевидно, несмотря на «перелом» кривой 1, выражающей зависимость предела текучести от температуры, и невысокий уровень предела текучести вообще, первый материал не в состоянии изменить свою форму, даже если объемный эффект превращения велик. Второй же материал (2), в силу вышесказанного, должен иметь повышенную склонность к формоизменению.
Формоизменение металлов, связанное с фазами или аллотропическими превращениями

Если вновь обратиться к данным Мак-Интоша, то легко видеть, что третье условие — наличие преимущественного направления (форма образцов) — было одинаковым или почти одинаковым для всех сплавов, и поэтому ключ для объяснения особенностей легирования следует искать или в изменении объемного эффекта превращения, или в изменении «скачка» механических свойств и в известной мере их общего уровня.
Специальные исследования показали, что объемное расширение при α→β-переходе примерно одинаково для кальцийтермического, магнийтермического урана и сплавов с хромом и молибденом, несмотря на их огромное различие в коэффициентах роста. В этом легко убедиться из сопоставления данных табл. 24 и 25. Исходя из сказанного, есть основания предполагать, что причина эффективного подавления роста урана хромом, молибденом и платиной заключается в ликвидации «скачка» физико-механических свойств.
Формоизменение металлов, связанное с фазами или аллотропическими превращениями

Эксперименты Тейлора прекрасно подтверждают высказанное здесь соображение. На фиг. 131—134 показаны результаты его опытов по растяжению магнийтермического урана и сплавов с ванадием, молибденом и хромом. Сразу бросается в глаза качественная разница в температурной зависимости свойств малостабильных против формоизменения магнийтермического урана и сплава урана с ванадием, с одной стороны, и высокостабильных сплавов урана с молибденом и хромом — с другой. Если первые из них испытывают резкий «скачок» свойств при переходе из α- в β-фазу, то для вторых характерно как бы «сращивание» кривых.
Эти данные являются отличным экспериментальным подтверждением качественных выводов теории и указывают наиболее рациональный путь борьбы с вредным явлением формоизменения.
В заключение необходимо отметить, что проблема роста металлов при фазовых превращениях находится в начальной стадии развития.
Формоизменение металлов, связанное с фазами или аллотропическими превращениями