Водород в металлах и сплавах
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ВОДОРОДА СО СПЛАВАМИ НА ОСНОВЕ
НИКЕЛИДА ТИТАНА
Н. Е. Скрябина, Л. В. Спивак
Пермский государственный университет, ул. Букирева, 15, Пермь, 614990, Россия
E-mail: magicflight@permonline.ru
Сплавы с эффектом памяти формы, в частности сплавы на основе интерметаллида П№, находят широкое применение в качестве элементов конструкций и датчиков приборов различного назначения. Реакция таких материалов на воздействие водорода и его изотопов практически не изучена. Хотя уже известно, что эти сплавы способны растворять водород в существенно больших количествах, чем сплавы на основе железа, имея при 300 К близкий к палладию коэффициент диффузии водорода. Эти сплавы могут также рассматриваться как возможные чувствительные элементы, реагирующие на присутствие в среде водорода.
Объектом исследования служили проволочные (^ = 0,5-0,65 мм) образцы нитинола с различными точками мартенситного превращения (таблица 1). Термическая обработка проводилась путем нагрева в вакуумной печи. Введение водорода в образцы осуществляли из кислого электролита (образец — катод) при плотности катодного тока 1000 А/м2.
При изучения воздействия водорода на структуру и свойства сплавов Т№ использовали рентгеновский дифракционный анализ, измерение при термо-циклировании образцов в районе 20-200 0С их дифференциального электросопротивления и модуля сдвига при крутильных колебаниях.
Показано, что введение водорода инициирует деформацию ползучести, вызывает дилатацию образцов, рост электросопротивления и модуля сдвига. Причем наблюдаемые изменения составляют 10% и более. Это противоречит теориям декогезивного воздействия водорода на металлы и сплавы. Причина роста модуля сдвига связана, по-видимому, с активизацией водородом фазовых переходов с возникновением высокомодульной фазы.
Рентгеновскими исследованиями установлено, что во всех, без исключения, случаях при данных режимах насыщения водородом гидридная фаза не обнаружена. При насыщении водородом сплавов, находящихся при 300 К в двухфазном (В2+В19') или трехфазном (B2+B19'+R) равновесии, на дифрактограммах фиксируется заметное увеличение количества R-фазы и достаточно высокий уровень микроискажений. Только нагрев таких сплавов (после насыщения водородом) до 500-800 0С приближает структуру сплава к исходной, существующей перед водородным воздействием. Однако и в этом случае полного возврата к первоначальной структуре сплава не наблюдается.
Причина этого явления пока не ясна. Однако однозначно показано влияние водорода на последовательность и интенсивность фазовых переходов при термоциклировании сплавов в интервале 20-200 0С.
Исследования изменения дифференциального электросопротивления при термоциклировании сплавов Т№ после насыщения водородом и изменения модуля сдвига при термоциклировании характеризуются появлением ряда особенностей на кривых ДG(T и АЯ(Т), так-же свидетельствующих об активизации при охлаждении образования R-фазы. В этом случае, в первую очередь, реализуется канал фазового перехода B2^R. Характер изменения модуля сдвига также свидетельствует об остаточных изменениях, вызванных водородом сплавах Т№.
Однако если сплав имеет мартенситную точку М в районе 300 К, то характер изменения модуля сдвига при термоциклировании такого сплава показывает, что в этом случае, наоборот, присутствие водорода блокирует переход В2^ R и активизирует превращение по схеме В2^В19'. Таким образом, последовательность фазовых переходов при взаимодей-
Таблица 1
Сплав Температура мартенситного превращения Ms, °C % атомов Ni Диаметр, мм
1А 82 49,5 0,62
1Б 70-80 49,2 0,62
2 70-90 49,3 0,60
3 50-60 49,9 0,50
4 <0 51 0,53
5 25-40 50,2 0,45
6 40-50 — —
ISJAEE Специальный выпуск (2003)
Второй международный симпозиум «Безопасность и экономика водородного транспорта»
IFSSEHT-2003
ствии водорода со сплавами Т№ зависит от соотношения температуры введения водорода и точки мар-тенситного превращения.
Установлено, что однократное насыщение водородом обеспечивает длительное сохранение изменений в последовательности структурно-фазовых превращений при термоциклировании этих сплавов.
Совокупность полученных результатов позволяет считать, что взаимодействие водорода с интерме-таллидом Т№ не сводится к тривиальному воздействию водородного наклепа на структуру материала и не обусловлено возникновением в исследованных сплавах гидридных фаз или «водородного» мартенсита, как это принято было считать до недавнего времени. По-видимому, специфика рассматриваемого взаимодействия связана с локализацией водорода в определенных плоскостях матричной (В2) и мартен-ситных (В19', R) фаз и возникновением собственных, упорядоченных по водороду, образований.
Мы полагаем, что изменение водородом последовательности или интенсивности фазовых переходов при насыщении двухфазных сплавов на основе интерме-таллида ТТ№ является результатом дополнительной потери устойчивости кристаллической решетки сплава к сдвиговым деформациям. Именно с этим связано, как показывает анализ экспериментального материала,
вскрытие новых каналов фазовой трансформации без изменения общего типа мартенситных превращений, присущих данному типу сплавов.
Если введение водорода осуществляется при температурах существования однофазного В2 состояния и достаточно далеко от точек фазовых переходов В2^В19' или B19'^R, то оно несущественно изменяет структурное состояние сплава, его поведение и свойства. Отсюда вытекает важное замечание: введение водорода способно дестабилизировать устойчивость кристаллической решетки только вблизи температур фазовых, сдвиговых по своему определяющему механизму, превращений.
Данное предположение вписывается в общую разрабатываемую в наших работах концепцию отклика металлических сплавов на введение и присутствие в них водорода.
Изменение водородом последовательности или интенсивности фазового превращения при НВ двухфазных сплавов на основе интерметаллида Л№ является результатом дополнительной потери устойчивости кристаллической решетки сплава к сдвиговым деформациям. Именно с этим связано, как показывает анализ экспериментального материала, вскрытие новых каналов фазовой трансформации без изменения общего типа присущих данному сплаву мартенситных превращений.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 03-02-16561).
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.