Бобылев А.В. Механические и технологические свойства металлов. Справочник

Подождите немного. Документ загружается.

Твердость отожженного кальциетермического тория НВ 65; иодид-

ный

торий мягче и пластичней: НВ 38, 6 = 82 %, i|) = 90 %.

Чистый

торий хорошо поддается обработке давлением: прокатке,

выдавливанию, штамповке, вытяжке; его можно прокатывать с обжа-

тием 99 % без промежуточного отжига. Горячую деформацию выполня-

ют при

650—950

°С. Вследствие высокой химической активности торий

нагревают в смеси расплавленных хлоридов натрия, калия и бария.

Хорошие результаты

дает

горячая обработка в защитных металлических

оболочках.

ПРОТАКТИНИЙ

Атомный номер протактиния 91, атомная масса

231,0359,

атомный ради-

ус 0,162 нм. Известны 20 нестабильных изотопов; наиболее долгоживу-

щий

—-с атомной массой 231 с периодом полураспада

343000

лет.

Электронное строение [Rn]5/

6d'7s

. Электроотрицательность 0,9. По-

тенциал ионизации 5,89 эВ. ^

л =

1696°С,

ип =

3862°С.

Кристаллическая

решетка при температуре до 1170 °С а-о. ц. т. с параметрами а=

0,3929

нм, с=0,3241 нм; при

1170—1575

°С Р-о.ц.к. с параметром

а=0,381 нм.

Плотность:

а-протактиния 15,37 Р-протактиния 13,87 т/м

. Протак-

тиний

— пластичный металл.

Протактиний

окисляется на

воздухе

с образованием пленки окси-

дов. Реагирует с галогенами, водородом при

250—300

°С с образова-

нием

гидрида

РаН

с углеродом при 1400 С образует карбиды РаСг-

УРАН

Атомный номер урана 92, атомная масса

238,029,

атомный радиус

0,153 нм. Известны 15 изотопов. Наиболее долгоживущий — с атомной

массой 238, с периодом полураспада 4,5- 10

лет. Электронное строение

[Rn\5f

Электроотрицательность 1,0. Потенциал ионизации

6,05 эВ. Кристаллическая решетка при температуре до 666 °С а-ромби-

ческая с параметрами а =

0,285

нм, 6 =

0,587

нм, с=0,496 нм; при

666—

778°С—

Р-о.ц.т. с параметрами а=0,!08 нм, с=0,566 нм, выше

778°С—

у-о.ц.к. с параметром а=0,354 нм. <

л=1134°С, ^кип=4200°С.

Уран окисляется на

воздухе

с образованием U

, при нагревании

воспламеняется. При 20 "С уран взаимодействует с фтором и хлором,

при

нагревании — с азотом, водородом, углеродом, иодом, серой и

фосфором.

Плотность: а-урана

19,07,

Р-урана 18,11,

у-урана

18,06 т/м

Модуль упругости

£=202

ГПа.

При

20 °С литой уран с суммарным содержанием примесей <0,05 %

обладает низкими механическими свойствами: о

=420 МПа, 6 = 5 %,

г|)=11

%; прокатка при

300°С

с обжатием 28 % повышает эти свойства

до ст

=960 МПа, 6=35 % и т|з = 27 % [1].

Водород резко понижает пластичность урана при 20 °С, наиболь-

шее охрупчивание наблюдалось при

25-10~

% водорода. Возможно,

что оно связано с растворением водорода в межкристаллитных приме-

сях и образованием гидридов по границам зерен урана.

Отжиг в водороде, солях, технических аргоне п гелии, а также на

воздухе

понижает пластичность. Отжиг в

вакууме

понижает содержа-

ние

водорода и

улучшает

пластичность.

Ниже

показано влияние условий отжига на механические свойства

урана при 20 °С [1]:

171

Внешняя

среда при

отжи ге

Без

отжига

. . ,

Соляная

ванна

Водород

. . .

Гелий

....

Воздух

....

Очищенный

аргон

Углекислый

газ

Азот

Вакуум

. . .

Соляная

ванна,

затем вакуум

. .

Ml (а

1393

883

873

942

912

893

903

893

971

873

0. ',

Увеличение размера зерна рекристаллизованного урана от 15 ^до

200 мкм повышает температуру перехода к хрупкости от нуля до 15 "С;

с повышением температуры пластичность урана, подвергнутого термооб-

работке в Р-области, улучшается [1]:

'ИСП'

—73

—45

100

200

300

400

500

600

666 (а)

666 (Р)

700

776 (Р)

776 (у)

800

<т

МПа

607

638

.587

524

400

289

193

НО

°0,2'

МПа

289

276

241

214

180

152

117

6. %

35,5

Ф»

При

температурах полиморфных превращений (666 и 776 °С) пла-

стичность урана высокая; прочность резко изменяется.

уменьшением скорости деформации при 700 °С прочность Р-урана

понижается в 3 раза [1]:

е,

мин-

. .

МПа . .

6 % • . • •

2620

192

,0175

105

,0010

В аналогичных условиях прочность при 750 °С понижается в 4 раза:

от 124 до 32 МПа; 6 =

51-^68

Влияние температуры на свойства электролитического

(99,90

урана дано на рис. 86.

Из

урана изготовляют прутки, трубы, проволоку, листы и фольгу.

Нагрев и подогревы осуществляют в соляных ваннах; применяют про-

катку в металлических оболочках. Хорошие результаты

дает

вакуум-

ная

прокатка.

172

№

600

1200

•

\ 1

320

2>tO

Щ160

412

200

400 600

Рис.

86.

Влияние температуры испытания

на

механические свойства урана

при

скорости деформации

[11:

НЕПТУНИЙ

Атомный номер нептуния 93, атомная масса

237,0482,

атомный радиус

0,162 нм. Известно 15 изотопов, наиболее долгоживущий — с атомной

массой 237 и периодом полураспада

2,14-10

лет. Электронное строение

[Rn]5/

6d'7s

. Потенциал ионизации 6,19 эВ.

Кристаллическая решетка: а-фазы при температуре до 278

С —

орторомбическая с параметрами: а=0,6663 нм, 6 =

0,4723

нм, с =

=0,4887 нм; Р-фазы при

278—577

°С — тетрагональная с параметрами:

а =

0,4897

нм; с =

0,3388

нм; у-фазы при

577—637

°С — о.ц.к., а=

=0,3518 нм.

На

воздухе

нептуний медленно окисляется, при нагревании взаимо-

действует

с водородом, азотом, углеродом, серой и фосфором. Плот-

ность а-фазы

20,45

т/м

, Р-фазы 19,36 т/м

, у-фазы 18 т/м

. <

ПЛ

637°С,

3900°C.

Упругие

свойства при 20 °С:

£=102

ГПа,

= 76 ГПа,

при

—196 °С

£=218

ГПа,

= 89 ГПа. Нептуний — пластичный металл,

ПЛУТОНИЙ

Атомный номер плутония 94, атомная масса 244, 06; атомный радиус

0,162 нм. Известно 15 изотопов с массовыми числами

232—246,

нанбо-

173

лее долгоживущий — с атомной массой 244—8-Ю

лет. Электронное

строение [Rn]5/

. Потенциал ионизации 6,06 эВ.

Кристаллическая решетка: а-фазы при температуре до

122°С

—

простая моноклинная с параметрами: а=0,6183 нм, 6 =

0,4822

им, с =

1,0963

нм (Р=

101,79°);

р-фазы при

122—206

"С —объемноцентриро-

ванная

моноклинная с параметрами: а=0,928 нм, 6 = 1,046 нм, с=

0,786

нм (Р = 92,Г); уфазы при

206—310°С

— гранецентрированная

ромбическая с параметрами: а = 0,316 нм,

0,577

нм, с= 1,016 нм;

б-фазы при

310—458°С

—г.ц.к., a=0,464 нм; т]-фазы при

458—480°С—

о. ц. т., а =

0,470,

с=0,449 нм; е-фазы при

480—641

С — о. ц. к., а=

0,364

нм.

Плотность плутония 19,86 т/м

. /

л =

640°С,

*„

ип

3230°С.

Модуль

упругости

£=98,4

МПа. Хрупкий металл.

Плутоний химически очень активный металл; он подвергается за-

метному разрушению

даже

в обычных лабораторных условиях. Плу-

тоний

окисляется медленно в

сухом

воздухе

и относительно быстро во

влажном. При нагревании плутония до 500 °С в окислительной атмосфе-

ре он воспламеняется, температура воспламенения зависит от чистоты

металла. При нагревании плутоний реагирует с азотом и водородом.

Устойчивая при 20 °С а-фаза плутония отличается повышенной

твердостью и низкой пластичностью; ее тепловое расширение анизо-

тропно,

поэтому в ней возникают значительные внутренние напряжения.

Литой плутоний при 20 °С может иметь микротрещины, главным об-

разом межкристаллитные, объем микротрещин составляет 0,1—2 % в

зависимости от содержания примесей и температуры превращения

Р~*-а. Количество и размеры микротрещин значительно возрастают при

повышении

содержания примесей и при термических циклах

Р*=*а;

по-

следние

могут

привести к разрушению плутония [1]. Превращения в

Р-фазу происходят медленно; небольшое количество примесей может

оказать существенное влияние на температуру этих превращений. При

содержании

0,05—0,1

% железа в плутонии возникает эвтектика, спо-

собствующая образованию межкристаллитных трещин.

Стабилизированные небольшими добавками высокотемпературные

фазы

плутония мягче а-фазы: стабилизированная б-фаза с 11 % (ат.)

алюминия

имеет после прокатки с обжатием 94 % сг

=353 МПа, Оо,2=

324 МПа и 6 = 6% [1].

Влияние температуры на механические свойства плутония чистотой

99,95

% при 1>

аст=0,4 мм/мин приведено ниже [1].

*исгг °С Фаза о

, МПа 6, % гр, %

—30

100

130

160

180

190

200

230

265

300

325

397

357

301

235

0,02

0,07

0,43

1,00

294

570

503

335

122

100

Влияние скорости растяжения на свойства Р-плутония чистотой

99,5% при 160 °С (числитель) и у-плутония при 265 °С (знаменатель)

приведено ниже [1]:

174

. мм/мин . 0,05 0,38 1,52 6,35 25,4

о-;, МПа. . . .

24/23

39/24

59/27

85/31

128/34

5,% —/75

570/61

361/50

252/43

111/45

$,%,. ... —/91

100/80

100/69

99/69

70/69

АМЕРИЦИЙ

Атомный номер америция 95, атомная масса (243),* атомный радиус

0,184.

Известно 15 изотопов, наиболее долгоживущий—с атомной мас-

сой 243 с периодом полураспада

7370

лет. Электронная структура

[Rn]5/

. Потенциал ионизации 5,99 эВ. Кристаллическая решетка —

п.г. с параметрами: а=0,348 нм, с= 1,124 нм, при температуре выше

1077 °С — г.ц.к. с параметром а=0,4894 нм. Плотность а-фазы

13,670

т/м

, Р-фазы 13,65 т/м

. /

ПЛ

=П74°С, ^„

2610°С.

На

воздухе

америций окисляется, реагирует с галогенами, водородом, азотом, во-

дой. Очень ковкий и тягучий металл.

КЮРИЙ

Атомный номер кюрия 96, атомная масса (247). Известно 15 изотопов,

наиболее долгоживущий — с атомной массой 247; период полураспада

167-10

лет. Электронная структура [Rn]5/

6d'7s

. Потенциал ионизации

6,02 эВ. Кюрий взаимодействует с галогенами, кислородом, азотом,

водородом, водой. Кристаллическая решетка — двойная г. п. у. при

температуре до 700 °С, с параметрами а=0,3497 нм, с=

1,1335

нм, вы-

ше 700 °С — г. ц. к. с параметром а =

0,4382

нм.

Плотность а-фазы 19,26 т/м

, р-фазы 14,79 т/м

. ^

л=1345°С,

'кип=3200°С. Кюрий — мягкий металл.

БЕРКЛИЙ

Атомный номер берклия 97, атомная масса (247). Известно 11 изото-

пов,

наиболее долгоживущий — с атомной массой 247 с периодом

полураспада 1380 лет. Электронная структура [Rn]5/

6d'7s

. Потенци-

ал ионизации 6,23 эВ. Кристаллическая решетка а-фазы — п.г. с пара-

метрами а =

0,3416

нм, с =

1,0168

нм; р-фазы — г.ц.к. с параметром

0=0,4997 нм. Плотность а-фазы 14,79 т/м

, Р-фазы 13,24 т/м

КАЛИФОРНИЙ

Атомный номер калифорния 98, атомная масса (251). Известно 17 изо-

топов (240—256); наиболее долгоживущий — с атомной массой 251 с

периодом полураспада 900 лет. Электронное строение

[Rn]5/'°7s

По-

тенциал ионизации 6,3 эВ. Кристаллическая решетка при температуре

до 600 °С двойная гексагональная плотная с параметрами: а =

0,339

нм,

с= 1,101 нм, при

600—725

"С— г.ц.к. с параметром а =

0,494

нм, при

>725°С

— о. ц. к. с параметром а =

0,575

нм.

Плотность а-фазы 15,04 т/м

, Р-фазы 13,73 т/м

, у-фазы 8,66 т/м\

ЭЙНШТЕЙНИЙ

Атомный номер эйнштейния 99, атомная масса (254). Известно 14 изо-

топов. Наиболее долгоживущий — с атомной массой 254; период полу-

распада 276 сут. Электронное строение [RnJS/'^s

. Потенциал иониза-

ции.

6,42 эВ. Кристаллическая решетка

•—

г. ц. к. с параметром а =

0,575

нм. Плотность 8,8 т/м

. /

ПЛ

857°С.

* См. также значения атомной массы этого и

других

металлов (с.

175—176)

в работе [25].

175

ФЕРМИЙ

Атомный номер фермия 100, атомная масса (257). Известно 17 изо-

топов, самый стабильный — с атомной массой 257 с периодом полу-

распада 100,5 сут. Электронное строение

[Rn]5f

Потенциал иониза-

кии

6,5 эВ.

МЕНДЕЛЕВИЙ

Атомный номер менделевия 101, атомная масса (258). Известно 11

изотопов, самый стабильный — с атомной массой 258 с периодом полу-

распада 56 сут. Электронное строение [Rn]5/

. Потенциал иониза-

ции

6,5 эВ.

НОБЕЛИЙ

(ЖОЛИОТИЙ)

Атомный номер нобелия 102, атомная масса (259). Известно 11 изо-

топов, самый стабильный — с атомной массой 259 с периодом полурас-

пада 58 мин. Электронное строение [Rn]5/

. Потенциал ионизации

6,65 эВ.

ЛОУРЕНСИЙ

(РЕЗЕРФОРДИЙ)

Атомный номер лоуренсия 103, атомная масса (260). Известно 9 изо-

топов, самый стабильный — с атомной массой 260 с периодом полурас-

пада 3 мин. Электронное строение [RnJS/'^d^s

. Потенциал ионизации

5,83 эВ.

КУРЧАТОВИЙ

Атомный номер курчатовия 104, атомная масса (26.1). Известно 9 изо-

топов, самый стабильный — с атомной массой 261 с периодом полурас-

пада 66 с. Электронное строение [Rn]5/'

. Потенциал ионизации

5,1 эВ. Плотность (17 т/м

НИЛЬСБОРИЙ

Атомный номер нильсбория 105, атомная масса (262). Известно 6 изо-

топов с массовыми числами 255, 257, 258,

260—262,

самый стабильный —

с атомной массой 262 с периодом полураспада 40 с. Электронное

строение [Rn]5/

. Потенциал ионизации 6,2 эВ. Плотность

(21,6 т/м

ЭКАВОЛЬФРАМ

Атомный номер экавольфрама 106, атомная масса (263). Известно два

нестабильных изотопа 259 и 263; наиболее долгоживущий — с атом-

ной

массой 263 с периодом полураспада 0,9 с. Электронная

структура

[Rn]5/

. Потенциал ионизации 7,4 эВ.

ЭКАРЕНИЙ

Атомный номер экарения 107, атомная масса (262). Известно два не-

стабильных изотопа 261 и 262; наиболее долгоживущий—с атомной

массой 262 с периодом полураспада 4 мс. Электронное строение

fRn]5/

176

27.

СПЛАВЫ

Описанные

выше закономерности влияния температуры деформации

внешней

среды, примесей на свойства металлов и меры борьбы с их

хрупкостью справедливы и по отношению к сплавам.

Нельзя

согласиться с мнением автора [42] о наличии у сплавов

эквикогезивной

температуры, выше которой прочность границ зерен

меньше прочности самих зерен. Высокотемпературное разрушение по

границам зерен наблюдается только при загрязнении их примесями

например

свинцом, образцы чистой латуни разрываются по

телу

зерен

(см.

рис. 9) при \р=Ю0 % [43]. Однако у сплавов закономерности

услож-

нены

дополнительным влиянием легирования, приводящего к искаже-

нию

кристаллической решетки, повышению деформационного упрочне-

ния,

температуры рекристаллизации и пр. Еще большие изменения

происходят при образовании

других

фаз, появлении способности к за-

калке и

другим

видам термической обработки. Существенное влияние

оказывает изменение растворимости легирующего элемента с темпера-

турой.

Влияние примесей на свойства сплавов значительнее, чем на свойст-

ва металлов, так как их растворимость в сплаве, как правило, меньше

чем в металле. Аномалии пластичности у сплавов наблюдаются чаще

поскольку причин для их появления больше, чем у металлов. Но это не'

свидетельствует

об обязательном наличии природной высокотемпера-

турной хрупкости у сплавов. Она возникает из-за вполне конкретных

причин,

различных для разных сплавов; устранить эти причины и сле-

довательно, избежать высокотемпературной хрупкости сплавов ' воз-

МОЖНО

СПЛАВЫ

МЕДИ

Легирование

улучшает

механические свойства меди, но понижает элект-

ропроводность (табл. 75).

Цинк

в значительном количестве — до 30 % —

входит

в твердый

раствор меди, существенно повышая ее механические свойства Однако

латуни промышленной чистоты имеют

широкую зону красноломкости, кото-

рая

расширяется с понижением ско-

рости деформации при одновремен-

ном

уменьшении пластичности (рис.

87, 88). ос-Латунь более чувствитель-

ная

к наличию примесей, чем (3-ла-

тунь; поэтому горячая прокатка пер-

вой стала возможной лишь после

применения

в ее

шихту

более чистых

металлов.

При

800 °С деформированная ла-

тунь Л68 обладает высокой пластич-

ностью (рис. 89).

Пластичность образцов, вырезан-

ных из заводских слитков латуни

Л68 толщиной 108 мм, отлитых мето-

дом наполнительного литья в верти-

кальную

водоохлаждаемую

изложни-

цу, колебалась в значительных пре-

делах;

она зависела от качества

участка, из которого был выстроган

700 850

°г

Рис.

87. Влияние на относительное

сужение латуни Л68 температуры

скорости растяжения, мм/мин:

— 1; 2 — 20; 3 — 300

177

ТАБЛИЦА 75. ВЛИЯНИЕ ДОБАВОК НА СВОЙСТВА МЕДНЫХ СПЛАВОВ

ПРИ

20 °С [1]

Добавка, %

НВ*

в,

Ф.

Электропро-

водность, %

Медь

МОб

Медь

O.lOZr

0,15Zr

0,20Zr

0,50Zr

0,05Zr;

0.01T1

0,03Zr;

0,016Ti

0,05Zr;

0,05Cr

0,07Zr;

0,08Cr

0,06Zr;

O.lOCr

0,009Cr;

O.OITi

0,12Ni;

0.005B

0,40Ni;

0,04Be;

0,003Ti

0,19Ni;

0,02Be;

O.OUTi

0,32Ni;

0,04Be;

0.014B

O.ULa

36,0

48,9

52,7

56,1

61,0

50,7

49,6

51,2

52,3

54,9

47,2

48,1

45,5

49,4

48,9

44,2

Литые

образцы.

221

200

240

245

255

273

241

230

247

261

253

225

227

237

235

230

238

40,0

36,6

39,6

37,5

37,8

41,5

39,4

33,9

37,7

42,0

41,7

30,0

35,0

88,8

84,2

88,5

86,9

86,5

88,0

88,3

86,6

100

102

97,0

96,0

92,5

90,0

90,5

98,0

94,7

89,2

97,2

91,7

88,7

85,7

97,7

99,5

S,yr,'/>

,мпа

100

го

200 WO 600 800

—

300

200

го

wo-

•80

-60

-40

-20

—<

400

300

200

/00

200

WO 600 800

Рис.

88.

Влияние

температуры

на свойства

латуни

Л63 (а) и ЛС591 (б)

J78

L":

Рис.

89.

Образец латуни

Л08

после растяжения

при 800 "С

Рис.

90.

Плоские образцы

из

заводских слитков латуни

Л68 при

скорости

растяжения

мм/мин:

/ и 3 —

образцы

из

плотных

зон

слитка;

2 и 4 —

образцы

из

центральной

зо-

ны

слитка.

слитке

без

железа

зерен

в 1 см

, в

слитке

с 0,2 % Fe 40 000

зерен

в 1 см

Поперечное сужение образцов,

/ — 98; 2 — 66; 3 — 96; 4 — 40

образец, и не зависела от величины зерна (рис. 90) (слитки с мелким

зерном были получены при введении в латунь 0,2 % Fe).

Усадочная рыхлость, шлаковый засор и газонасыщенность водоро-

дом понижают механические свойства латуни. Неоднородность качества

слитков свидетельствовала о целесообразности применения метода не-

прерывного литья. При испытании в атмосфере природного газа пластич-

ность резко уменьшается вследствие образования поверхностных тре-

щин

(рис. 91).

Свинец

улучшает

обрабатываемость латуни резанием, но

ухудшает

обрабатываемость давлением. Горячая прокатка а-латуни с примесью

0,05 % РЬ или более сопровождается растрескиванием слитка из-за

наличия

межкристаллитных прослоек жидкой фазы, содержащей свинец.

Добавка лития к литой латуни Л68 с примесью свинца существен-

но

улучшила

пластичность при температуре горячей прокатки (табл. 76)

вследствие образования соединений лития со свинцом с температурой

плавления

~700°С

и изменения характера распределения свинца в

латуни.

Литий уменьшает вредное влияние на латунь висмута, образующего

с литием соединение с температурой плавления 1145 "С, Добавка 0,05 %

179

Рис.

91.

Образец латуни

Л08

после растяжения

при 800 "С в

атмосфере

при-

родного газа;

acT

~20

мм/мин

ТАБЛИЦА

76.

ВЛИЯНИЕ ПРИМЕСЕЙ

НА

СВОЙСТВА ЛИТОЙ ЛАТУНИ

Л68 ПРИ

820 "С

Добавка,

РЬ

0,01

0,03

0,05

0,40

—

0,05

МПа

6,%

Ч'.

Примечание.

Шихта состояла

из

меди

Ml и

цинка

Ц1.

В последней плавке применяли медь двойного электролиза

цинк чистотой

QQ ОО 0/.

более

99,99

фосфора

не

улучшила

пластичность латуни Л68 с 0,05 % РЬ вследствие

отсутствия взаимодействия его с фосфором.

Применение

шихту

более чистых меди и цинка повысило пла-

стичность латуни при 820, 500 и 20 °С. Полезное влияние лития на ла-

тунь без свинца, но приготовленную из недостаточно чистых металлов,

связано

с уменьшением вредного влияния небольшого количества при-

месей в латуни.

Прокатка

клиновидных образцов латуни Л68 с примесью

0,06—

0,08 % РЬ и добавками до 0,05 % (по шихте) лития

улучшает

пластич-

ность

латуни при комнатной и высокой температурах.

Полезной

добавкой для улучшения свариваемости, коррозионной

стойкости

и деформируемости латуни является кремний, существенно

уменьшающий ее красноломкость.

Влияние

0,5 % Si на относительное сужение латуни Л68 показано

ниже:

исп

°С 20 300 500 600 700

Л68

Л68+0,5%81

Красноломкость

медноцинковых сплавов обусловлена межкристал-

литными

примесями, ослабляющими границы зерен, так как монокри-

сталлы этих сплавов не имеют зон тепловой хрупкости [1].

180