Ванадиевые сплавы : жаропрочные и радиационностойкие материалы

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 2533

Кафедра металловедения и физики прочности
НИЛ гибридных наноструктурных материалов 

Т.А. Нечайкина 
 
 

Ванадиевые сплавы

Жаропрочные и радиационностойкие  
материалы 

Учебное пособие 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета 

Москва  2014 

УДК 669.292 
Н59

Р е ц е н з е н т ы :
д-р техн. наук, проф. С.В. Добаткин (ИМЕТ им. А.А. Байкова РАН);
д-р техн. наук, проф. С.А. Никулин

Нечайкина Т.А.
Н59
Ванадиевые сплавы : жаропрочные и радиационностойкие
материалы : учеб. пособие / Т.А. Нечайкина. – М. : Изд. Дом
МИСиС, 2014. – 47 с.
ISBN 978-5-87623-835-1 

Пособие содержит материал, необходимый для самостоятельной подготовки студентов к лекциям и практическим занятиям по курсу «Жаропрочные и радиационностойкие материалы». В пособии рассмотрены следующие
разделы: получение, основные принципы легирования, физические и механические свойства при различных температурах, влияние примесей на свойства, изменение структуры и свойств при облучении ванадия и его сплавов.
Данный материал поможет студентам получить полное представление о поведении ванадиевых сплавов при высоких температурах под воздействием
больших нагрузок, радиационного облучения и агрессивных сред.
Пособие соответствует программам курсов «Жаропрочные и радиационностойкие материалы» и «Специальные сплавы» для направления «Материаловедение и технологии материалов».
Предназначено для бакалавров и магистров, обучающихся по направлению 150100 «Материаловедение и технологии материалов».

УДК 669.292 

ISBN 978-5-87623-835-1 
© Т.А. Нечайкина, 2014 

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение....................................................................................................4
1. Общие сведения о ванадии..................................................................5
2. Получение ванадия и его сплавов.......................................................6
2.1. Виды сырья и способы извлечения ванадия из сырья................6
2.2. Получение металлического ванадия и его сплавов....................8
3. Свойства ванадия и его сплавов........................................................10
3.1. Физические свойства...................................................................10
3.2. Влияние легирующих элементов и примесей на свойства
ванадия и его сплавов.........................................................................14
3.2.1. Кратковременные механические свойства.........................15
3.2.2. Влияние примесей на механические свойства...................18
3.2.3. Жаропрочность .....................................................................24
3.2.4. Радиационные свойства .......................................................30
3.2.4.1. Влияние облучения на структуру и свойства..............31
3.2.4.2. Радиационное распухание.............................................36
3.2.4.3. Радиационная ползучесть .............................................39
3.2.5. Коррозионная стойкость......................................................41
Контрольные вопросы............................................................................44
Библиографический список...................................................................46

ВВЕДЕНИЕ

Ванадий и его сплавы обладают уникальным комплексом физикохимических и механических свойств, что делает их перспективными
для создания конструкционных материалов, работающих в условиях
больших нагрузок при высоких температурах, агрессивных сред и
даже радиационного облучения.
Интерес к ванадиевым сплавам как перспективным конструкционным материалам со сверхвысокими параметрами эксплуатации объясняется тем, что наиболее важными свойствами ванадия являются низкое
сечение захвата быстрых нейтронов, высокая радиационная стойкость
и высокое сопротивление ползучести при температурах до 700 °С.
Наиболее перспективные области применения ванадиевых сплавов – атомная, авиационная и ракетная техника, технические сверхпроводники. Сегодня ванадий широко используется во всем мире в
металлургии также в качестве легирующего элемента при производстве сталей и в цветной металлургии в виде алюминийванадиевых
сплавов для легирования конструкционных материалов на основе
титана, применяемых в авиастроении и космической технике из-за
лучшего по сравнению с другими конструкционными материалами
соотношения прочность/плотность и высоких высокотемпературных
характеристик. В авиационной, ракетной и других областях техники
нашли применение сплавы на основе ниобия, хрома и тантала, содержащие присадки ванадия.
На основе ванадия созданы материалы для первой стенки термоядерного реактора и технических сверхпроводников, в частности
сплавы системы V–Ti–Cr, которые являются единственным материалом, удовлетворяющим критерию спада наведенной активности, т.е.
являются «малоактивируемыми сплавами», активно исследуемыми в
1990-е и 2000-е годы в связи с проблемами создания термоядерных
реакторов и ядерных установок космического назначения.
Ванадиевые сплавы системы V–Ti–Cr как конструкционный материал обладают целым комплексом важных свойств для применения в
атомной энергетике: совместимы с жидким теплоносителем, имеют
достаточно высокие прочностные характеристики при повышенных
температурах, имеют хорошую теплопроводность и высокую радиационную стойкость, не образуют долгоживущих изотопов (малоактивны). Поэтому одно из перспективных направлений использования
сплавов ванадия в атомной энергетике – изготовление оболочек тепловыделяющих элементов реакторов на быстрых нейтронах, работающих в замкнутом ядерном топливном цикле.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ВАНАДИИ

Ванадий (Vanadium, V) – химический элемент V группы периодической системы элементов Д.И. Менделеева (атомный номер 23, 
атомная
масса 50,942) имеет
объемно-центрированную
кубическую (ОЦК)
кристаллическую
решетку
с
параметром
решетки
а = 0,3024 нм. Природный ванадий состоит из двух изотопов: V51
(99,75 %) и V50 (99,25 %). Искусственно получены радиоактивные
изотопы ванадия, важнейший из них V48 имеет период полураспада
T1/2 = 16 дней.
Ванадий
был
открыт
в 1801 г.
мексиканским
минералогом
А.М. Дель Рио в мексиканской бурой свинцовой руде и назван по
красивому красному цвету нагретых солей эритронием (от греч.
erythrós – красный). В 1830 г. шведский химик Н.Г. Сефстрём обнаружил новый элемент в железной руде из Таберга (Швеция) и назвал
его ванадием в честь древнескандинавской богини красоты Ванадис.
Английский химик Г. Роско в 1869 г. получил порошкообразный металлический ванадий восстановлением VCl2 водородом. В промышленном масштабе ванадий добывается с начала XX в.