Водород в металлах и сплавах
СТРИКЦИОННЫЙ ЭФФЕКТ В СПЛАВЕ МЕТАЛЛ-ВОДОРОД. ВЫЗВАННЫЙ ОРИЕНТАЦИОННЫМ УПОРЯДОЧЕНИЕМ
КЛАСТЕРОВ а'-ФАЗЫ
М. П. Пещеренко,1 В. В. Русаков,1 Ю. Л. Райхер,1 Л. В. Спивак2
1 Институт механики сплошных сред УрО РАН, ул. Королева, 1, Пермь, 614013, Россия Факс: (3422) 33-69-57, e-mail: pmp@icmm.ru 2 Пермский государственный университет, ул. Букирева, 15, Пермь, 614600, Россия
Эксперимент показывает [1], что эффекты пластичности превращения и памяти формы возникают в том случае, когда наводороженный металл представляет собой смесь «газообразной» (а) и «плотной» (а') фаз. Строя теоретическую модель для объяснения указанных механических эффектов, мы исходим из предположения о том, что а-фаза равномерно распределена в металлической матрице, в то время как а'-фаза представлена системой водородсодержащих кластеров, имеющих анизометричную (пластинчатую) форму. Из-за неравенства параметров решетки каждый а'-кластер деформирует окружающий металл (а-фаза) и, тем самым, становится источником дально-действующего поля упругих напряжений. При достаточной плотности таких источников в образце возникает коллективное взаимодействие кластеров, зависящее от их взаимной ориентации. Проводя аналогию с теорией жидкокристаллического состояния, можно говорить о том, что в ансамбле водородных кластеров изотропная часть коллективного потенциала определяет интенсивность межчастичного взаимодействия, а анизотропная часть потенциала обуславливает эффект ориентационного упорядочения в ансамбле кластеров. Подчеркнем, однако, что механизм переориентации частиц в наводороженном металле принципиально отличается от того, что существует в жидких кристаллах. Поворот кластера должен быть обусловлен его диффузионной «реконструкцией» под действием анизотропных напряжений, поскольку механический поворот частицы как целого практически запрещен из-за колоссальной удельной затраты энергии.
Для описания деформационного поведения системы с фиксированным числом водородных кластеров построена феноменологическая континуальная модель, учитывающая как ориентационные, так и деформационные степени свободы материала [2,3]. Ориентация каждого пластинчатого кластера задается единичным вектором V, нормальным к его плоскости. Макроскопической величиной, характеризующей ориентационное упорядочение наводороженного металла, является тензорный параметр порядка ц получаемый статистическим усреднением ориентаций отдельных кластеров. При одноосном упорядочении вдоль некоторой оси, обозначаемой единичным век-
тором n (директором), скалярный параметр порядка П вводится соотношением:
П =V§ n(ntnk - \8lk).
(1)
При спонтанном (в отсутствие внешних сил) переходе системы в упорядоченное состояние направление директора задается условиями на границах образца, а величина п определяется отношением энергии межчастичного взаимодействия к тепловой.
Плотность свободной энергии наводороженного металла представляем суммой:
F = F + F + F + F
orient d elast str '
(2)
слагаемые которой выражают, соответственно, энергию межчастичного ориентационного взаимодействия, энергию ориентационных неоднородностей, энергию упругой деформации и, наконец, энергию взаимодействия внешнего поля напряжений с полем ориентаций.
Описанная модель использована для описания известной экспериментальной ситуации: тонкий вертикальный стержень (проволока) из наводороженного металла, нижний конец которого закреплен, а верхний — нагружен постоянным. Изучается кручение стержня, вызванное изменением температуры. Концентрация водорода считается постоянной.
Минимизацией свободной энергии образца, структура которой представлена уравнением (2), получена система дифференциальных уравнений, описывающих взаимное влияние деформации металла и ориентационного упорядочения в ансамбле кластеров а'-фазы в равновесии при заданном значении механической нагрузки и температуры. Для замыкания системы использован метод самосогласованного поля, хорошо известный в теории жидких кристаллов. В этом подходе предполагается, что параметр порядка П пропорционален уже достигнутой степени ориентации кластеров в образце.
Получены теоретические зависимости кручения от температуры. Их сопоставление с данными измерений для проволок из ниобия и тантала показали хорошее качественное согласие. Количественное же сопоставление теории с экспериментом позволило найти численные значения параметров развиваемой модели.
ISJAEE Специальный выпуск (2003)
Второй международный симпозиум «Безопасность и экономика водородного транспорта»
IFSSEHT-2003
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке РФФИ (проект № 01-02-96478) и CRDF (Award PE-009-0).
Список литературы
1 .Спивак Л. В., Скрябина Н. Е., Кац М. Я. Водород и механическое последействие в металлах и сплавах. Пермь: Изд-во Пермского университета, 1993, 343 с.
2.Peshcherenko M., Raikher Yu., Rusakov V. Model for the deformational behavior of hydrogenated transition metals//International Symposium on Metal Hydrogen Systems. Fundamental and Applications, Annecy, France, 2-6 September 2002, Book of Abstracts, P. 49.
3. Пещеренко М. П., Русаков В. В., Райхер Ю. Л. Модель деформационного поведения наводорожен-ных металлов V группы//Физ. металлов и металловед (в печати).
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.