51. Кристаллическое строение твердых тел

Все металлы представляют собой кристаллические вещества.

Твердое состояние вещества характеризуется тем, что расстояние между частицами имеет величину порядка их размера, а сами частицы совершают колебательные движения относительно положения равновесия.

Кристалл – твердое тело, состоящее из упорядоченных периодически повторяющихся в пространстве частиц. Обычно они образуются и растут из растворов и расплавов.

Кристаллическая решетка – присущее веществу в кристаллическом состоянии правильное расположение атомов, характеризующееся периодической повторяемостью в 3х измерениях.

Аморфное тело – вещество, не имеющее кристаллической решетки.

Элементарная ячейка – элемент объема из минимального числа атомов, многократным переносом которого в пространстве можно построить весь кристалл.

Основные параметры:

1. размеры ребер элементарной ячейки (a,b,c) – периоды решетки – расстояния между центрами ближайших атомов;

2. углы между осями (α,β,γ);

3. координационное число – число атомов, расположенных на ближайшем одинаковом расстоянии от любого атома в решетке;

4. базис решетки – количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку;

5. плотность упаковки – отношение объема, занятого атомами к объему ячейки (реальному объему).

Типы кристаллических решеток:

1. примитивный – узлы решетки совпадают с вершинами кристаллической решетки;

2. базоцентрированный – атомы занимают вершины ячеек и два места в противоположных гранях;

3. объемоцентрированная (ОЦК);

4. гранецентрированная (ГЦК).

По форме:1)триклинная (a ≠ b ≠ c, α ≠ β ≠ γ, тип 1); 2)моноклинная (a ≠ b ≠ c, α = β = 90°, γ < 90°, тип 1, 2);

3. ромбическая (a ≠ b ≠ c, α = β = γ = 90°, тип 1, 2, 3, 4);

4. ромбоэдрическая (a = b = c, α = β = γ ≠ 90°, тип 1);

5. гексогональная (a = b ≠ c, α = β = 90°, γ = 120°, тип 2);

6. тетрагональная (a = b ≠ c, α = β = γ = 90°, тип 1, 3);

7. кубическая (a = b = c, α = β = γ = 90°, тип 1, 3, 4).

Основные типы:

ОЦК – атомы расположены в вершинах куба и его центре; ГЦК – атомы расположены в вершинах куба и по центру каждой из 6 граней; гексогональная: в основе 6-угольник: простая – в вершинах ячейки и по центру двух оснований плотноупакованная (ГПУ) – имеются в средней плоскости три дополнительных атома.

52. Свойства металлического u и его терморадиационная стойкость

Природный Me U – смесь изотопов: U²³⁹ – 99,282 %; U²³⁵ – 0,712 %; U²³⁴ – 0,006 %.

Структура Me U имеет три модификации: α,β,γ. ρ = 18,7-19,6 г/см³, t°плавления = 1130 ° C.

U α – t°плавления = 663 ° C, орторомбическая структура.

U β – t°плавления = 663-775 ° C, тетрагональная решетка.

U γ – t°плавления = 775-1130 ° C, ОЦК.

Теплофизические свойства U определяются его кристаллической структурой. Механические свойства образца почти целиком определяются способом приготовления, они сильно зависят от чистоты материала (этим пользуются при создании сплавов) и от способа изготовления деталей. Механические свойства очень чувствительны к примесям.

В интервале температур от 373 до 77 К пластичность U резко падает с уменьшением температуры. Одновременно понижается предел прочности, уран из пластичного становится хрупким. Температура перехода зависит от содержания примесей, размеров зерна и т.п. Пластичность U при комнатной температуре может быть повышена отжигом в вакууме. Наилучшие результаты дает отжиг в течение одних суток при 623-673 К. С ростом температуры прочность урана снижается, а пластичность растет. В случае больших зерен пластичность и предел прочности меньше. С увеличением температуры выше порога кристаллизации (643-703 К) скорость ползучести U резко возрастает.

В условиях циклического изменения температуры скорость ползучести возрастает (из-за внутренних напряжений, возникающих из-за анизотропии термического расширения α-урана при изменении температуры). Внутренние напряжения возрастают до предела текучести и вызывают пластическую деформацию зерен.

Термические циклы вызывают изменение размера изделий из U. Наибольшая скорость роста (увеличения длины изделий) урана отмечена при максимальной разнице температур термического цикла (причем наибольшее влияние оказывает верхнее значение температуры), низкой скорости нагрева и высокой скорости охлаждения. В процессе изменения температуры в тепловом цикле происходит некоторое распухание изделий из поликристаллического U (т.е. уменьшения плотности), возникает шероховатость поверхности – «жеванность» и даже происходит растрескивание.

Рост урана при термических циклах связывается с тем, что в двух смежных различно ориентированных зернах, имеющих вследствие этого в определенном направлении различные коэффициенты теплового расширения, при нагревании возникают внутренние напряжения. В случае перехода через точки фазовых превращений рост U связывают с различием плотности и прочности кристаллических модификаций U.

Под действием облучения происходит изменение формы и размеров изделий из U. При температуре ниже 673 К эти явления обусловлены радиационным ростом U. В мелкозернистом поликристаллическом U при малом выгорании поверхность изделий становится шероховатой (эффект апельсиновой корки). В случае крупного зерна и больших выгораний неровности на поверхности увеличиваются, появляются чередующиеся гребешки и впадины (жеванность). Одновременно может происходить деформация изделий, например прутов из U.

При исследовании облученного монокристалла U было установлено удлинение в направлении [010], сокращение длины по оси [100] (в направлении [001] монокристалл не изменяется).

Поведение поликристаллического урана под облучением существенно зависит от размера зерна и совершенства его структуры, от характера текстуры.

Изменение формы U при радиационном росте можно представить как переход атомов из плоскости p[100] в плоскость [010]. Такой перенос должен осуществляться либо миграцией отдельных атомов, либо за счет из кооперативного движения.

Достоинства Me U:

1.высокая теплопроводность;

2.максимальное содержание делящегося материала (U).

Недостатки:

В чистом виде Me U не применим как топливо для ЯР. При облучении в АЗ реактора образец Me U быстро теряет свои (невысокие) коррозионные и механические (прочностные) свойства, изменяются его форма, размеры и даже целостность. Причина этому ряд специфических эффектов:

1)твердое распухание; 2)термоциклирование – цикл термообработки (разогрев / охлаждение), приводит к изменению объема ΔV = 2-5%; 3)радиационный рост;4)газовое распухание; 5)радиационная ползучесть.

Для того чтобы уменьшить эффекты 2 и 3 (см. выше) нужно выбирать такие способы обработки U, которые способствуют измельчению зерен и их произвольной ориентации в пространстве между собой.