Статья поступила в редакцию 31.08.15. Ред. рег. № 2338
The article has entered in publishing office 31.08.15. Ed. reg. No. 2338
УДК 669.234.017.3:669.788
doi: 10.15518/isjaee.2015.17-18.012
об особой роли внутренних напряжении,
индуцированных водородом в металлах: экспериментальные подтверждения
М.В. Гольцова
Белорусский национальный технический университет Республика Беларусь, 220013, Минск, пр. Независимости, д. 65 E-mail: m_goltsova@mail.ru
Заключение совета рецензентов: 03.09.15 Заключение совета экспертов: 06.09.15 Принято к публикации: 09.09.15
В статье дан краткий обзор некоторых водородоупругих и водородопластических эффектов, экспериментально зафиксированных при исследовании модельной системы Pd-H методиками прямого наблюдения in situ, в том числе с видеозаписью протекающих процессов.
Показано, что описанные в данной статье экспериментально зарегистрированные эффекты представляют не только строго научный интерес для углубления знаний о фундаментальных закономерностях взаимодействия водорода с металлами. Их следует учитывать в конкретных технологиях использования систем Ме-Н и водородной обработки материалов.
Ключевые слова: внутренние напряжения, гидридные фазовые превращения, изгибы пластины, термо-баро-упругое равновесие.
ON THE SPECIAL ROLE OF INTERNAL STRESSES, INDUCED WITH HYDROGEN IN METALS: EXPERIMENTAL EVIDENCES
M.V. Goltsova
Belarusian National Technical University 65 Nezavisimosty ave., Minsk, 220013, Republic of Belarus E-mail: m_goltsova@mail.ru
Referred: 03.09.15 Expertise: 06.09.15 Accepted: 09.09.15
The article gives a brief overview of some hydrogen elastic and hydrogen plastic effects experimentally recorded in the study of a model system Pd-H with direct observation in situ technique, including a processes videoregistraion.
It is shown experimentally registered effects are not only of strictly scientific interest to deepen the knowledge of metals hydrogen interaction fundamental laws. They should be taken into account in the use of specific Me-H technologies and hydrogen processing of materials.
Keywords: internal stresses, hydride phase transformations, plate bendings, termo-baro-elastic equilibrium.
Мария Викторовна
Гольцова Maria V. Goltsova
Сведения об авторе: канд. техн. наук, ст. преподаватель Белорусского национального технического университета, лауреат Премии НАН Украины для молодых ученых (2001).
Образование: Донецкий национальный технический университет (1995).
Область научных интересов: взаимодействие водорода с металлами и структурно-фазовые превращения в системах палладий (сплавы палладия) - водород.
Публикации: более 80.
Information about author: PhD (Candidate of Science, Metal Science and Engineering), Senior Lecturer of Belarusian National Technical University, winner of Ukrainian National Academy of Science Award for young scientists (2001).
Education: Donetsk National Technical University (1995)
Research area: metal-hydrogen interactions and structural and phase transformations in palladium (its alloys) - hydrogen systems.
Publications: more than 80.
Введение
Любые энергетические проекты предусматривают в том или ином виде использование термодинамически открытых систем Ме-Н, поэтому изучение взаимодействия водорода и его изотопов с металлами не теряет своей актуальности и вызывает живой интерес [1]. При этом системы Ме-Н - уникальные физические объекты, которые состоят из двух атомных подсистем: водородной и металлической. Эти подсистемы различаются по диффузионной подвижности больше чем в 1020-1030 раз, что выделяет их в особый ряд по сравнению с другими системами внедрения [2] и обуславливает многие особенности и необычные физические явления.
Большинство систем Ме-Н обладают сложными диаграммами состояния, что затрудняет их экспериментальные исследования. Система Р^Н стоит особняком в ряду систем Ме-Н не только из-за уникальной способности палладия пропускать водород, но и благодаря относительной простоте ее диаграммы состояния, что дает возможность использовать палладий в качестве модельного материала для исследований основных закономерностей взаимодействия водорода с металлами [3].
Именно на палладии было систематически, теоретически и экспериментально изучено явление во-дородоупругости [4]. Поскольку внедренный атом водорода расширяет кристаллическую решетку металла, в кристаллической решетке возникает упругое (деформационное) дальнодействующее взаимодействие атомов водорода. Часто специфические особенности подструктуры внедрения решаются в рамках модели, в которой кристаллическая решетка рассматривается только как жесткий «контейнер», не реагирующий на поведение водородной подсистемы [3]. Однако при возникновении в металле градиентов концентраций водорода возникают и градиенты расширения кристаллической решетки, что в итоге приводит к появлению внутренних напряжений, индуцированных водородом. Такие напряжения принято называть водородными концентрационными (ВК) напряжениями. В случае, когда ВК-напряжения не превышают предела текучести металла, говорят о явлении водородоупругости [4]. В противном случае возникает пластическая деформация металла, вызванная водородным воздействием. Явление водородоупругости проявляется на практике «внешне» совершенно различными экспериментальными эффектами (см. классификацию в [2]). В одних случаях на первый план выступают диффузионные аспекты явления водородоупругости, обусловленные развитием восходящей диффузии водорода: замедление гид-ридных фазовых превращений, возможность достижения термо-баро-упруго-диффузионного равновесия превращающихся фаз, эффект Льюиса и др. В других на первый план выступают механические проявления водородоупругости: обратимое и необ-
ратимое формоизменение (коробление) металлических изделий, эффект Горского. Если в результате насыщения металла водородом (или при его дегазации) в металле развивается фазовое превращение, то ситуация осложняется возникновением, помимо ВК-напряжений, и водородофазовых (ВФ) напряжений, обусловленных разностью удельных объемов превращающихся фаз [5].
В данной статье приведен краткий обзор некоторых водородоупругих и водородопластических эффектов микро-, мезо-, и макромасштабов, экспериментально зафиксированных при исследовании модельной системы Pd-H методиками прямого наблюдения in situ, в том числе с видеозаписью протекающих процессов.
Материал и методики
Во всех экспериментах использовали чистый палладий, чистотой 99,98%, изготовленный на Екатеринбургском заводе по обработке цветных металлов и специально сконструированные для целей и задач исследований водородо-вакуумные установки.
Для изучения диффузионных проявлений водо-родоупругости использовали проволочные образцы, 0 0,5 мм, длиной 23 мм, изогнутые в виде буквы П. На верхней части образцов были подготовлены металлографические шлифы по специальной методике, сводящей к минимуму наклеп приповерхостных слоев образца. Затем шлифы помещались в водородо-вакуумную установку ВВУ-2, которая позволяет исследовать взаимодействие палладия с водородом при температурах от комнатной до 700 °С и при давлениях от 10-100 Па до 2,5 МПа. Подробно о подготовке шлифов и методиках эксперимента можно прочесть в [6, 7]. Важно, что исследования в ВВУ-2 осуществлялись одновременно двумя методиками прямого наблюдения: оптической микроскопией in situ, с видеозаписью процессов в приповерхностных слоях испытываемого образца, и методикой интегрального измерения удельного электросопротивления, позволяющей непосредственно в ходе эксперимента отслеживать процессы, осуществляющиеся в его объеме.
Для изучения механических проявлений водоро-доупругости при одностороннем насыщении палладия водородом использовали палладиевую пластину размерами (68x5,5x0,27 мм), предварительно отожженную при 700 °С в течение 60 минут и затем охлажденную с печью. Одну сторону отожженного образца электролитически покрывали медью. Для исследований использовали экспериментальную во-дородо-вакуумную установку ВВУ-4, которая позволяет изучать формоизменение консольно закрепленной палладиевой пластины при температурах до 360 °С и при давлениях водорода от 0,01 МПа до 2,5 МПа. Важно, что эксперименты всегда осуществляли в изотермических условиях и вели регистрацию изменения стрелы прогиба образца через кварцевое
окно с помощью катетометра с одновременной видеозаписью процесса формоизменения образца в реальном времени. Методика подготовки образцов, экспериментальная установка ВВУ-4 и методика проведения экспериментов достаточно подробно описаны в оригинальной работе [8] и обзорной по систематическим исследованиям формоизменения палладиевой пластины [9].
Все полученные как на ВВУ-2, так и на ВВУ-4 видеозаписи затем анализировали в специализированных программах для обработки видеозаписей кадр за кадром. Ошибка измерения времени составляла ±0,04 с. Ошибка измерения положения свободного конца пластины составляла ±0,03 мм. Использование видеозаписи особенно важно для тех экспериментов, в которых быстрота осуществления регистрируемого эффекта превышает возможности регистрации изменений в приповерхностных слоях образца с помощью фотографирования или измерений стрелы прогиба пластины с помощью катетометра.
При исследованиях формоизменения палладие-вой пластины при двустороннем насыщении водородом использовали образцы размерами 65,0*5,0x0,2 мм, предварительно отожженные в вакууме при температуре 1000 °С в течение 3 ч (охлаждение с печью). Двусторонние водородные нагружения кон-сольно закрепленной палладиевой пластины проводили в специально сконструированной водородо-вакуумной установке ВВУ-3. Принципиальным отличием этих экспериментов от экспериментов по изучению формоизменения палладиевой пластины при одностороннем насыщении водородом являлось и то, что они проводились в условиях насыщения водородом при упругом механическом нагружении палладиевой пластины подвешиванием грузика на ее свободный торец. Подробно эксперименты по исследованию формоизменения палладиевой пластины при двустороннем насыщении водородом описаны и обсуждены в [10].
Диффузионные
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.