CC BY
145
УДК 532.51.013.4, 539.3, 539.4
Исследование механических свойств урана U238 с различной исходной структурой при скорости деформирования 10-3-103c-1
М.Л. Андреева, А.П. Большаков, О.Н. Игнатова, Е.В. Кошатова, А.Н. Малышев, Л.В. Поляков, В.А. Пушков, В.М. Сергеев1, И.И. Акимов1
ФГУП «Российский федеральный ядерный центр Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики», Саров, 607188, Россия 1 Высокотехнологический научно-исследовательский институт неорганических материалов им. ак. А.А. Бочвара, Москва, 123098, Россия
В статье приводятся результаты исследования прочностных характеристик мелкозернистых урана U238 (размер зерна — 0.10.2 мкм), сплавов U238 с молибденом (размер зерна — 3 мкм), U238 с ниобием (размер зерна — 10-12 мкм) при статических и
динамических нагрузках в сравнении с крупнокристаллическими нелегированным ураном U238 (размер зерна--200 мкм), сплавом
урана U238 с Мо (размер зерна ~130 мкм) и ураном, подвергнутым предварительному ударно-волновому нагружению давлением 20-40 ГПа.
Ключевые слова: статическое деформирование, сжатие, растяжение, динамическое деформирование, условный предел текучести, ударная волна
Mechanical properties of uranium-238 with different initial structure at a strain rate of 10-3-103 s-1
M.L. Andreeva, A.P. Bolshakov, O.N. Ignatov, E.V. Koshatova, A.N. Malyshev,
L.V. Polyakov, V.A. Pushkov, V.M. Sergeev1 and I.I. Akimov1
All-Russian Research Institute of Experimental Physics, Sarov, 607188, Russia 1 Bochvar All-Russian Research Institute of Inorganic Materials, Moscow, 123098, Russia
The paper presents the results of comparison study of the strength characteristics of uranium-238 (U238) with different initial structure under static and dynamic loading. The comparison is made between fine-grained U238 (0.1-0.2 |xm grain size), U238-Mo alloy (3 |xm grain size), U238-Nb alloy (10-12 |xm grain size) and coarse-grained unalloyed U238 (—200 |xm grain size), U238-Mo alloy (—130 |xm grain size) and uranium subjected to preliminary shock wave loading at a pressure of 20-40 GPa.
Keywords: static deformation, compression, tension, dynamic deformation, conventional yield strength, shock wave
1. Введение
Многие конструкции, имеющие в своем составе уран, в процессе эксплуатации испытывают значительные статические и динамические нагрузки. Знание механических свойств урана необходимо для создания математических моделей материала, прогнозирующих его поведение при воздействии различных факторов с целью внедрения их в расчетные методики. На сегодняшний день разработаны и продолжают активно разрабатываться многочисленные способы получения новых перспективных металлов, обладающих мелкозернистой структурой и новыми привлекательными свойствами.
Исключением не стал и уран, который является одним из материалов, используемых в изделиях Российского федерального ядерного центра ВНИИЭФ. В данной работе представлены результаты исследования прочностных характеристик мелкозернистых урана и238 (размер зерна 0.1—0.2 мкм), сплавов и238 с молибденом и с ниобием при статических и динамических нагрузках в сравнении с крупнокристаллическими нелегированным ураном и238, сплавом урана и238 с Мо, обедненным ураном (данные Лос-Аламосской национальной лаборатории (ЬА№Ь)) и ураном, подвергнутым предварительному ударно-волновому нагружению давлением 20-40 ГПа.
© Андреева М.Л., Большаков А.П., Игнатова О.Н., Кошатова Е.В., Малышев А.Н., Поляков Л.В., Пушков В.А., Сергеев В.М., Акимов И.И., 2010
Таблица 1
Механические свойства урана и238 в исходном состоянии при сжатии и растяжении (статика)
Условия № Растяжение Сжатие
нагружения обр. ав, МПа а+0 2, МПа 8, % ¥, % ав, МПа ст-0 2, МПа
1 - - - - - 560
Исходное 2 580 280 8.5 15.5 - 455
состояние 3 620 330 9.5 17 - 485
4 640 370 7.0 13 - 540
Среднее 1-4 613 ± 51 327 ± 66 - - - 510 ± 57
Интенсивное изучение физико-механических свойств урана началось с 50-х годов прошлого века [1]. К настоящему времени получен, в том числе авторами настоящей работы, значительный объем данных по физико-механическим свойствам урана и его сплавов [2]. Определено, что механические свойства урана существенно анизотропны и при нормальной температуре сильно зависят от характера термомеханической обработки и содержания примесей. Особенностью урана, обладающего крупнокристаллической структурой, является вязкий характер деформирования, нелинейное сопротивление деформации, ползучесть при повышенных температурах и нейтронном облучении.
Легирование урана таким элементом, как молибден, приводит к заметному измельчению зерен, улучшению микроструктуры и повышению стабильности прочностных свойств [3]. Рост прочностных характеристик сплавов происходит по мере увеличения массового содержания молибдена до 5-6 %. При дальнейшем увеличении содержания молибдена прочность уменьшается, но остается выше (примерно в 2 раза), чем у нелегированного урана.
Многочисленные исследования новых материалов с размером зерна меньше 1 мкм показали, что по своим механическим свойствам при статических и динамических нагрузках они существенно отличаются от их аналогов, имеющих крупнокристаллическую структуру [4]. Предполагается, что данное утверждение справедливо и для урана. В данной работе приведены -є— диаграммы сжатия-растяжения урана с различной исходной структурой и химическим составом при скоростях деформирования —10-3-103 с-1.
2. Результаты исследований крупнокристаллического нелегированного урана и238
Статические испытания нелегированного урана и238 в исходном состоянии (размер зерна---200 мкм) про-
водились при комнатной температуре со скоростью деформации е; —1.1 -10-3 с-1 при растяжении и ~2.7 х х 10-3 с-1 при сжатии. Полученные значения механических свойств урана (предел прочности ств, условный предел текучести ст±0 2, относительное удлинение после разры-
вов 8 и относительное сужение после разрыва ^) представлены в табл. 1. Сжатию подвергались цилиндрические образцы диаметром d = 4 мм и высотой h = 6 мм. Испытания на растяжение проводились на гантелевидных образцах с рабочей частью d =3 мм и h = 22 мм.
На рис. 1 показаны полученные средние истинные диаграммы сжатия и растяжения. Каждая зависимость построена по результатам четырех опытов. Среднее значение напряжения вычислено по стандартной статистической методике обработки экспериментальных данных с доверительной вероятностью 0.9 [6]. Диаграммы приведены в координатах «интенсивность напряжения - интенсивность деформации е;» и получены из диаграмм ст-е в условных координатах пересчетом по известным зависимостям [7], учитывающим изменение эффективного коэффициента Пуассона в области упругопластического перехода.
Из сравнения диаграмм сжатия и растяжения на рис. 1 можно сделать вывод, что механические характеристики нелегированного урана при сжатии и растяжении отличаются в ~ 1.5 раза.
На рис. 1 показана экспериментальная статическая
- е; -диаграмма урана при сжатии, полученная в LANL [8]. Из сравнения кривых 1 и 2 на рис. 1 следует, что экспериментальные зависимости напряжения от деформации, полученные в РФЯЦ-ВНИИЭФ и LANL, несколько отличаются: скорости деформационного уп-
Рис. 1. Усредненные -е¿-диаграммы статического сжатия (1, 2)
и растяжения (3) нелегированного урана в исходном крупнокристаллическом состоянии: нелегированный уран (1), обедненный уран (данные LANL [8]) (2), растяжение (3)
0 4-----.-----,----,-----,-----.----
0.00 0.05 0.10 8;
Рис. 2. Усредненные диаграммы динамического сжатия нелегированного урана в исходном крупнокристаллическом состоянии при скорости деформирования е 1 = 1400-1600 (1), 100 - 420 с-1 (2)
рочнения Эст^ Эе1 разные, однако максимальная средняя прочность практически совпадает (—1300 МПа). Возможно, это связано с разной внутренней структурой исследуемого урана, полученной в результате различных способов изготовления.
В опытах на динамическое сжатие методом составного стержня Гопкинсона испытывались образцы при температуре 20 °С и скорости деформаций 100-1600 с-1 [2]. На рис. 2 представлены усредненные диаграммы сжатия урана, из которых видно, что динамическое деформационное упрочнение существенно зависит от скорости деформации.
В опытах на динамическое растяжение испытывались образцы в форме колпачка при температуре Т= -7 °С и скорости деформации е 1 — 103 с-1 [2]. На рис. 3 представлена усредненная диаграмма растяжения нелегированного урана в координатах ст1 -е1. Диаграмма построена по результатам четырех опытов. Там же для сравнения приведена диаграмма статического растяжения, полученная при е1 —1.1 • 10-3 с-1 и температуре 20 °С.
Усредненные значения динамических пределов текучести нелегированного урана и238 при различных скоростях деформирования приведены в табл. 2. Значения пределов текучести определены с доверительной вероятностью 0.95 [6].
Ст!, МПа 600
400
200
0
0.00 0.04 0.08 £:
Рис. 3. -е¡-диаграммы растяжения нелегированного урана в ис-
ходном состоянии: статическое растяжение, е¡ — 1.1 • 10-3 с-1, Т = 20 °С (1), динамическое растяжение, е1 — 103 с-1, Т = -7 °С (2)
Таблица 2
Динамический предел текучести крупнокристаллического нелегированного урана и238 в исходном состоянии при сжатии и растяжении
Т, °С е 1 ст02, МПа Число опытов
20 100-420 565±42 7 (сжатие)
20 1300-1600 660±80 4 (сжатие)
-7 1000 470 4 (растяжение)
На рис. 4 показаны ст1 - е1 -диаграммы сжатия урана, полученные при различных скоростях деформирования (е1 —1-3.2 • 103 с-1) в РФЯЦ-ВНИИЭФ (методом составного стержня Гопкинсона) и в LANL, из которых видны существенные различия влияния скорости деформирования на интенсивность напряжения. Методом составного стержня Гопкинсона зафиксировано — 1400 МПа при е: —5 % и е; — 1400-1600 с-1, что в —1.75 раз больше интенсивности напряжения при е: — 5% и е1 — 100-420 с-1 (ст: — 800 МПа). Экспериментальные данные, полученны е в LANL, указывают на меньшее влияние скорости деформирования на интенсивность напряжения:
СТе, = 10%, е, = 3200 с-1 1/:0/
---------------- = 16 %,
СТе1 = 10%, е1=1 с-1
СТе, = 40 %, е, = 3200 с-1
----------------= 25 /о.
сте1 = 40%, е1 = 1 с-1
Такая разница в поведении, возможно, также связана с методом изготовления образцов.
3. Результаты исследований крупнокристаллического сплава урана и238 с ~1.0 % Мо
В опытах на динамическое сжатие испытывались образцы сплава урана с молибденом (размер зерна —
400
о —■—I—■—I—■—I—■—I—■—
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 £;
Рис. 4. Динамические -е^-диаграммы сжатия урана в исходном
состоянии (Т = 20 °С): 1, 2 — экспериментальные данные РФЯЦ ВНИИЭФ, метод составного стержня Гопкинсона[2], е1 = 14001600 (1), 100-420 с-1 (2); экспериментальные данные LANL [8], е 1 = = 1 (3), 3200 с-1 (4)
, МПа
1200
800
400
0.00
т т т Т I I _і_ї
—і со
0.04
0.08
Рис. 5. Усредненные диаграммы динамического сжатия крупнокристаллического сплава урана и238 с Мо: е! = 280-360 (1), 600-880(2), 1 000-1400 с-1 (5), растяжения при Т = -7 °С и е; ~ 1200 с-1 (4)
Таблица 4
Статические механические характеристики мелкозернистого и238 и его сплавов с Мо и №
Материал ст+0 2, МПа ств, МПа 8, % ¥, %
Мелкозернистый и238 735-755 951-981 - -
Мелкозернистый и238 с Мо 540-630 960-1010 31-41 29-58
Мелкозернистый и238 с М 230-240 850-890 24-30 26-39
Т аблица 5
Характеристики мелкозернистого и238 при динамических испытаниях
Т, °С єі, с-1 ст_02, МПа Число опытов
20 400-800 715 ± 10 2
1140-2150 887 ± 150 4
—130 мкм), изготовленные из литых стержней, при температуре 20 °С и скорости деформации е 1 = 280-1400 с-1 [2]. На рис. 5 представлены усредненные диаграммы сжатия и растяжения сплава и238 с Мо в координатах
-е ¡. Каждая диаграмма усреднена по результатам 2-4 опытов.
В опытах на динамическое растяжение испытывались образцы в форме колпачка, изготовленные из литых стержней, при температуре Т =-7 °С и скорости деформации е; — 1200 с-1 [2]. На рис. 5 приведена усредненная по 5 опытам диаграмма растяжения сплава в координатах . В указанных условиях образцы
разрывались при 8йуп =15 %, что свидетельствует о существенной пластичности сплава.
В табл. 3 представлены усредненные значения динамических пределов текучести крупнокристаллического сплава и238 с Мо при различных скоростях деформирования.
4. Результаты исследований мелкозернистого и238 и его сплавов с Мо и ^
Мелкозернистый нелегированный уран с размером зерна 0.1-0.2 мкм и его сплав с добавлением молибдена (средний размер зерен — 3 мкм) получены термомеханической обработкой с применением штамповки. Исследованный в данной работе мелкозернистый уран и238 с добавлением ниобия (средний размер зерен — 1012 мкм) изготовлен методом горячей обработки давлением с последующей закалкой в а"-фазу. Статические
Таблица 3
Динамический предел текучести урана и238 с Мо в исходном состоянии при сжатии и растяжении
Т, °С єі, с-1 а02, МПа Число опытов
20 280-360 760 2 (сжатие)
20 600-880 868±54 4 (сжатие)
20 1000-1400 990±70 4 (сжатие)
-7 1200 900 5 (растяжение)
механические характеристики мелкозернистого и238 и его сплавов с Мо и № приведены в табл. 4.
Динамические испытания на сжатие мелкозернистого и238 и его сплавов проводились методом составного стержня Гопкинсона. Для мелкозернистого и238 всего проведено шесть опытов с разными скоростями деформации е; = 400-2150 с-1. В табл. 5 представлены результаты экспериментов: скорость деформации и предел текучести а-0 2. На рис. 6 показаны динамические диаграммы сжатия мелкозернистого урана и238 в сравнении с крупнокристаллическим ураном.
На рис. 7 представлены динамические диаграммы сжатия мелкозернистого сплава урана и238 с № при скорости деформации - 600 и 1600 с-1. Указанные скорости деформации сохранялись практически постоянными в пластической области деформирования образцов. Каждая кривая является усредненной по результатам испытаний трех образцов. Сравнение диаграмм деформирования при разных скоростях деформации показывает, что при более высокой скорости деформации кривая расположена несколько выше, чем при
низкой скорости деформации. Сходный характер имеет
о 1.......................................................
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 Є;
Рис. 6. -е—диаграммы сжатия крупнокристаллического и238 (1,
2, 5) и мелкозернистого и238 (5, 4) при скоростях деформации = = 1400-1600 (1), 100-420(2), 400-800(5), 1140-2 150 с-1 (4) и статического сжатия при — 10-3 с-1 (5)
мирования проходит в несколько стадий, вызванных трансформацией двойниковых структур.
5. Результаты исследований крупнозернистого нелегированного урана и238, подвергнутого предварительному ударно-волновому нагружению
Испытания урана после предварительного ударноволнового нагружения проводились при комнатной температуре на разрывной машине со скоростью перемещения траверсы 1 мм/мин, что соответствует начальной скорости деформации е 1 —1.1 • 10-3 с-1 при растяжении и е; — 2.7-10-3 с-1 при сжатии. Нагружение образцов ударной волной проводилось в Институте физики взрыва РФЯЦ-ВНИИЭФ.
В табл. 6 представлены полученные механические характеристики нелегированного урана после предварительного ударно-волнового нагружения до давлений 20-40 ГПа при статическом сжатии и растяжении. Среднее значение напряжения и погрешность измерения вычислены по стандартной статистической методике обработки экспериментальных данных с доверительной вероятностью 0.9 [6].
На рис. 8 показаны средние -диаграммы ста-
тического сжатия после предварительного ударно-волнового деформирования до давлений —20-40 ГПа (диаграммы построены с учетом накопленной при ударноволновом нагружении полной деформации).
Из сравнения диаграмм сжатия и растяжения нелегированного урана на рис. 1 и 8 можно сделать следующие основные выводы:
- Нагружение урана ударными волнами различной интенсивности (—40, — 30, —20 ГПа) увеличивает условный предел текучести, максимальные значения прочности в пределах экспериментальной погрешности практически не изменяются по сравнению с исходным состоянием. Аналогичные результаты получены в LANL [3].
Таблица 6
Механические характеристики нелегированного урана после предварительного ударно-волнового нагружения до давлений 20-40 ГПа при статическом сжатии и растяжении
№ Растяжение Сжатие
нагружения обр. ов, МПа о+0 2, МПа 8, % ¥, % ов, МПа о-0 2, МПа
20 ГПа 1 750 620 1.5 7.9 1610 870
2 770 680 1.0 11.5 1600 1 120
Среднее 1-2 760±21 650±62 - - 1605± 10 995±258
30 ГПа 1 750 750 0.2 6.6 2280 1030
2 680 680 0.3 4.6 - -
Среднее 1-2 715±72 715±72 - - - -
40 ГПа 1 750 700 0.7 9.2 1680 1 120
2 720 630 1.0 14.8 1590 830
Среднее 1-2 735 ±31 665±72 - - 1635 ±92 975±290
суіі МПа 1200
800 400 0
0.00 0.04 0.08 Єї
Рис. 7. Динамические Оі - є¡-кривые сжатия мелкозернистых сплавов и238 с № (1-3) и Мо (4, 5) при скоростях деформации Є і --600(1), 1 600 (2), 1400 (3) [5] и 600 (4), 1600 с-1 (5)
динамическая -диаграмма для сплава и238 с МЬ,
полученная сотрудниками LANL [1], которая для сравнения представлена на рис. 6.
На рис. 7 также приведены динамические -кри-
вые сжатия мелкозернистого сплава урана и238 с Мо при скорости деформации е 1 - 600 и 1600 с-1. Каждая зависимость построена по результатам трех опытов.
Анализ диаграмм динамического сжатия испытанных образцов показал, что кривые как для мелкозернистого и238 с Мо, так и для мелкозернистого и238 с МЬ имеют характерный вид с двумя перегибами, которые явно выражены при скорости деформации е 1 - 600 с-1 и практически незаметны при скорости деформации
- 1600 с-1. Такая двухволновая конфигурация также отмечалась авторами работы [5] при исследовании поведения сплава и238 с МЬ при скоростях деформации е; -1400 с-1 (рис. 7).
Авторы работы [5] связывают двухволновую конфигурацию кривой - £; и наличие нижнего и верхнего
пределов текучести с тем, что у этого материала, содержащего большое количество двойников, процесс дефор-
Рис. 8. Средние а - е-диаграммы статического сжатия нелегированного урана в исходном состоянии (1) и после предварительного ударно-волнового нагружения до давлений — 20 (2), 30 (5) и 40 ГПа (4)
- После воздействия ударной волны происходит
«охрупчивание» урана. Так, при растяжении относительное удлинение 8 в исходном состоянии составляет —10%, а после предварительного ударно-волнового деформирования -----1-2 %.
6. Заключение
Систематизированы результаты по исследованию механических свойств урана с различной исходной структурой. Получены новые результаты по исследованию урана, подвергнутого предварительному ударноволновому нагружению до давлений 20-40 ГПа, мелкозернистого урана и его сплавов с ниобием и молибденом при скоростях деформирования - 10-3-103с-1. Из сравнения условных пределов текучести урана с различной исходной структурой при скоростях деформирования 10-3-103с-1 можно сделать следующие основные выводы:
- уменьшение размера зерна и238 с —200 мкм до
— 0.1- 0.2 мкм приводит к увеличению условного предела текучести при статическом растяжении в —2 раза (с 327 до 735 МПа);
- при динамическом сжатии в диапазоне скоростей деформации —200-2000 с-1 условный предел текучести увеличивается на 25-30 % при уменьшении размера зерна в уране с —200 мкм до —100 нм;
- предварительное упрочнение крупнокристаллического урана ударными волнами давлением 20-40 ГПа увеличивает условный предел текучести и практически приближает его к мелкозернистому состоянию при статическом растяжении, но приводит к его охрупчиванию;
- максимальная прочность урана при статическом сжатии составляет —1350± 50 МПа;
- самым прочным из исследованных видов является нелегированный мелкозернистый уран с размером зерна
0.1.0.2 мкм, наименьшей прочностью обладает мелкозернистый сплав урана U238 с Nb;
- самыми пластичными из исследованных видов урана являются мелкозернистые сплавы;
- легирование урана ниобием и молибденом и уменьшение размера зерна до 3-10 мкм приводит к формированию в диаграммах сжатия двух перегибов.
Полученная экспериментальная информация будет использована для тестирования моделей сдвиговой прочности урана.
Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ № 08-02-00087а и Президента РФ по поддержке ведущих научных школ № НШ-1307.2008.1.
Литература
1. Емельянов B.C., Евстюхин А.И. Металлургия ядерного горючего. -М.: Атомиздат, 1968.
2. Большаков А.П., Квасков Г.А., Новиков С.А., Пушков В.А., Синицын В.А. Механические свойства урана при квазистатическом и ударно-волновом нагружении. - Саров, 1997. - 44 с. / Препринт РФЯЦ-ВНИИЭФ № 54-97.
3. Сокурский Ю.Н., Стерлин Я.М., Федорченко В.А. Уран и его сплавы. - М.: Атомиздат, 1971.
4. Гусев А.И., Ремпель А.А. Нанокристаллические материалы. - М.: Физматлит, 2001. - 224 с.
5. Cady C.M., Gray III G.T, Chen S.R., Field R.D., Korzekwa D.R., Hixson R.S., Lopez M.F. Influence of temperature, strain rate and thermal aging on the structure/property behavior of uranium 6 wt % Nb // J. Phys. IV. - 2006. - V. 134. - P. 203-208.
6. Худсон Д. Статистика для физиков. Лекции по теории вероятностей
и элементарной статистике. - М.: Мир, 1970. - 298 с.
7. Малинин Н.Н. Прикладная теория пластичности и ползучести. -М.: Машиностроение, 1975. - 400 с.
8. Blumenthal W.R., Cerreta E.K., Dennis-Koller D., Gray III G.T, Hixson R.S. Recent dynamic strength testing of uranium // 7th Int. Workshop on the Fundamental Properties of Plutonium. Russian Federal Nuclear Center VNIIEF, Sarov, Russia. - June 25-29, 2007.
Поступила в редакцию 18.05.2009 г.
Сведения об авторах
Андреева Марина Леонидовна, инж. РФЯЦ-ВНИИЭФ, [email protected] Большаков Александр Петрович, к.т.н., внс РФЯЦ-ВНИИЭФ, [email protected]
Игнатова Ольга Николаевна, к.ф.-м.н., снс РФЯЦ-ВНИИЭФ, [email protected], [email protected]
Кошатова Елена Владимировна, мнс РФЯЦ-ВНИИЭФ, [email protected]
Малышев Андрей Николаевич, снс РФЯЦ-ВНИИЭФ, [email protected]
Поляков Лев Викторович, внс РФЯЦ-ВНИИЭФ, [email protected]
Пушков Виктор Алексеевич, д.т.н., снс, рук. лаб. РФЯЦ-ВНИИЭФ, [email protected]
Сергеев Владимир Михайлович, рук. отд. ВНИИНМ им. А.А. Бочвара, [email protected]
Акимов Игорь Иванович, к.т.н., технолог ВНИИНМ им. А.А. Бочвара, [email protected]
