H. E. Скрябина, Л. В. Спивак
Пермский государственный университет, 614600, Пермь, л.Букирева, 15, Россия, E-mail: Spivak@psu.ru
■за
Механическая неустойчивость в системах металл-водород как следствие Квазижидкого
В данной публикации сообщается о новом состоянии вещества. Это состояние характеризуется заметным значением модуля нормальной упругости, что характерно для твердого состояния, и чрезвычайно низким значением модуля сдвига, что характерно для жидкого состояния вещества. Возникновение такого особого состояния лежит в основе механической неустойчивости при совместном действии поля напряжений и высокоинтенсивного диффузионного потока водорода и дейтерия.
ВВЕДЕНИЕ
Водород является одним из самых распространенных элементов Вселенной, однако составляет всего только около 1% массы нашей планеты. Занимая первое место в Периодической системе, он активно взаимодействует с другими элементами, в том числе и со многими металлами. Различные аспекты этого взаимодействия изучаются уже более 150 лет, но последние годы появился ряд сенсационных сообщений о совершенно необычном характере такого взаимодействия.
Каждое из них —как будто бы не связанные между собой явления, но только буквально в последние год-два стало ясно, что в этих экспериментах обнаружена неизвестная ранее способность водорода при его сверхравновесных концентрациях, в некоторых металлах, кардинально менять их физическую природу. Что же это за эффекты, приведшие к пересмотру сложившихся представлений о состоянии вещества?
СНИЖЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ ПЛАСТИЧЕСКОГО ТЕЧЕНИЯ
В конце 70-х годов японская группа ученых [1-3] провела серию экспериментов по деформации сверхчистого железа (моно и поликристаллы) с одновременным электролитическим введением в металл водорода.
В электролитическом способе введения водорода исследуемый металл является катодом, а электрод из платины — анодом. При достаточно высоком коэффициенте диффузии водорода в кристаллической матрице возможно создание в сплаве сверхравновесной, для данных условий насыщения, концентрации водорода. Этому способствуют два
экспериментально установленных факта. Во-первых, согласно закона Сивертса, растворимость водорода в металлах пропорциональна ,/р, где Р — давление газообразного водорода в окружающей металл атмосфере. Во-вторых, электролитическое насыщение водородом, даже при относительно небольших плотностях катодного тока (100 ^ 1000 А/м2), эквивалентно по своему действию насыщению металла из газовой фазы при давлении в сотни и тысячи атмосфер. Количество водорода, вводимое в металл пропорционально ^Ц, где I — плотность катодного тока.
а
Рис. 1. Влияние введения водорода (X) и остановки насыщения на напряжение течения (О ) в чистом железе при растяжении (схема).
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE) #2 2002
Если на каком-то этапе пластического деформирования начать насыщение железа водородом, то практически сразу же происходит резкое снижение напряжения течения, 7 . Усилие, необходимое для пластической деформации металла, уменьшается особенно ощутимо в первые моменты такого воздействия. Прекращение насыщения водородом, отключение тока поляризации, возвращает напряжение пластического течения материала к близкому первоначальному значению.
Такое поведение железа в процессе пластической деформации можно реализовать несколько раз, пока не наступит разрушение образца. Примечательно, что после подобного водородного воздействия в структуре сверхчистого железа поры трещины и т.п. дефекты не обнаруживаются. Этим сверхчистое железо, полученное методами зонной безтигельной плавки, отличается от технически чистого, в котором после насыщения водородом возникают микроскопические нарушения сплошности материала. Поэтому установленные в этих работах эффекты можно было целиком отнести только за счет изменения фундаментальных свойств железа в условиях совместного действия активной деформации и сверхравновесной концентрации водорода.
Сами авторы обнаруженных эффектов попытались объяснить такое поведение железа в рамках традиционной дислокационной парадигмы: введение водорода неким образом облегчает движение дислокаций. При этом, что потом окажется немаловажным, было обращено внимание на существование некоторого критического значения плотности катодного тока, ниже которого эффекты снижения напряжения течения отсутствуют.
Установлено также, что при комнатной температуре и температурах, лежащих ниже 200 К, снижение напряжения течения при прочих равных условиях выражено слабо. Более того, иногда напряжение течения обнаруживает даже некоторую тенденцию к увеличению.
Последующие годы характеризовались активными исследованиями в этом направлении, что позволило получить обширный экспериментальный материал. Однако принципиально новых теоретических положений для его объяснения авторами таких исследований предложено не было. Дислокационный механизм снижения напряжения течения в тех или иных вариантах по-прежнему предлагался для объяснения этого необычного явления.
АНОМАЛЬНАЯ ПЛАСТИЧЕСКАЯ АВТОДЕФОРМАЦИЯ ЖЕЛЕЗА
Приблизительно в то же время, 1981-1983 гг., были опубликованы работы группы Шаповалова В. И. [6-7] по так называемой аномальной пластической автодеформации железа в присутствии водорода. Ими было проведено исследование влияния газообразного водорода на пластическое поведение чистого железа вблизи температуры полиморфного а О у превращения. Известно, что железо существует в двух аллотропических модификациях: ниже 910 °С оно имеет ОЦК кристаллическую решетку (а ^е), в диапазоне температур 910 ^ 1392 °С - ГЦК кристаллическую решетку (У ^е). Интервал темпе-
ратур циклирования 850 ^ 950 °С. Количество таких термоциклов достигало 2000. Давление газообразного водорода, окружающего образец 0,5-100 МПа. В приведенных экспериментах консольно закрепленный образец нагружался собственным весом. Возникающие при этом нагрузки не превышали 2-10-4 ^ 8-10-3 МПа. Это существенно меньше предела текучести чистого железа в момент фазовой трансформации а О у ~ 1 МПа.
Было показано, что в этих условиях даже при небольших давлениях водорода, напряжение течения в момент фазового превращения а О у снижается до весьма малой величины ~ 2-10-4 МПа. Образец железа "течет" под действием собственного веса. Причем, с повышением давления водорода степень деформации за цикл увеличивается.
Внешний вид образцов после такой обработки напоминает последствия плавки металла. Первоначально шаровидный образец меняет свою форму, оплывая с державки всей массой и отдельными сосульками. Если такой образец поместить в зону печи с большим градиентом температур, то характер его поведения резко изменяется. Из нижней части образца в зону низких температур "вытекает" тонкий и длинный шлейф.
В дальнейшем авторами этого открытия была предложена гипотеза, согласно которой при термо-циклировании железа в атмосфере водорода в районе температур полиморфного превращения, из-за различной растворимости водорода в а ^е и у ^е, на границе между а - и У -фазами, в области существования а - фазы, возникает пересыщенный водородом так называемый Н-слой с резко сниженным сопротивлением сдвиговой деформации. Сопротивление деформации оказывалось настолько низким, что материал деформируется, "течет", под действием собственного веса. Очень похоже ведут себя типичные аморфные материалы (воск, смола, стекло и т.п.) при повышении температуры.
Как оказалось, аномальная автодеформация в атмосфере водорода не наблюдается в других металлах, для которых также свойственны аллотропические превращения, таких, например, как титан, кобальт, цирконий, но у которых коэффициент диффузии водорода существенно меньше, чем в железе. Если материал не претерпевает полиморфных превращений, то явление автодеформации также отсутствует.
СИНЕРГИЧЕСКИЕ ДЕФОРМАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ
Примерно в это же время стали появляться сообщения об обнаружении многократного, на несколько порядков, ускорения деформации металлов при совместном действии статических полей напряжения и электролитического насыщения водородом (см. рис.2).
Это так называемые синергические эффекты микропластичности. Суть этих ранее неизвестных эффектов (см.например, [8-9]) заключалась в том, что при статических нагрузках, много меньших макроскопического предела текучести (упругое нагру-жение), электролитическое насыщение металлов водородом приводит к многократному ускорению деформации. То есть опять-таки эти эффекты сопро-
R D
38
Время
Рис.2. Влияние продолжительности насыщения водородом на изменение модуля сдвига G (1), деформацию кручением D (2) и электросопротивление Я (3) в V, НЬ, Та, 1г (схема).
вождаются резким снижением сопротивления деформации, сдвигом при пересыщении в условиях электролитического насыщения поверхностных слоев металла, в частности железа, водородом.
Более того, было показано, что подобного типа деформационные эффекты имеют место быть и в других металлах, для которых характерны высокие коэффициенты диффузии водорода: палладии, ванадии, тантале, ниобии и даже в цирконии. Причем, началу деформации при электролитическом насыщении водородом этих металлов в поле напряжений также предшествует заметное снижение эффективного модуля сдвига G (см. рис.2).
Сама же деформация в этой группе металлов обусловлена развитием фазового (гидридного) превращения по мере увеличения концентрации водорода в сплаве при его электролитическом насыщении водородом.
ЭФФЕКТ ОБРАТИМОЙ ПОТЕРИ ФОРМЫ В АМОРФНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВАХ
Сенсационные результаты были получены буквально несколько лет назад [10-11]. Аморфный металлический сплав на основе железа при электролитическом насыщении водородом терял свою способность сопротивляться деформации сдви-
гом. Первоначально упругая лента аморфного сплава вела себя после такой обработки как полоска ткани - полностью теряла упругие свойства (см.рис.3).
Через некоторое время (несколько суток) после прекращения насыщения водородом свойства аморфного сплава возвращались к первоначальным. Этот эффект обладает способностью многократного воспроизводства на одном и том же обра
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.