научная статья по теме МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОТОЖЖЕННОГО И ВОДОРОДОФАЗОНАКЛЕПАННОГО ГИДРИДА ПАЛЛАДИЯ Физика

Текст научной статьи на тему «МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОТОЖЖЕННОГО И ВОДОРОДОФАЗОНАКЛЕПАННОГО ГИДРИДА ПАЛЛАДИЯ»

ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2004, том 97, № 1, с. 113-120

= ПРОЧНОСТЬ И ПЛАСТИЧНОСТЬ

УДК 669.234788:620.17

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОТОЖЖЕННОГО И ВОДОРОДОФАЗОНАКЛЕПАННОГО ГИДРИДА ПАЛЛАДИЯ

© 2004 г. Г. И. Жиров, В. А. Гольцов, Д. А. Гляков

Донецкий национальный технический университет, 83000 Донецк, ул. Артема, 58

Поступила в редакцию 23.06.2003 г.

Экспериментально установлено, что отожженный гидрид палладия является высокопластичным и малопрочным металлическим материалом и его механические свойства соответствуют уровню механических свойств отожженного палладия. Изучено упрочнение гидрида палладия при водородо-фазовом наклепе в результате прямого а —► Р-фазового гидридного превращения в сплавах палладий-водород. Показано, что степень водородофазового наклепа определяется разностью удельных объемов превращающихся фаз. С понижением температуры превращения и увеличением разности удельных объемов превращающихся фаз упрочнение гидрида палладия закономерно усиливается, а его пластичность соответственно уменьшается.

ВВЕДЕНИЕ

Для системы палладий-водород [1] характерно наличие критической точки (Ткр = 292°С, Рн =

= 1.97 МПа), выше которой имеет место непрерывный ряд твердых растворов водорода в палладии. Ниже критической точки твердый раствор водорода в палладии расслаивается, и на диаграмме состояния Рё-И имеют место три области: область разбавленного твердого раствора водорода в палладии (ГЦК а-фаза), область гидрида палладия (ГЦК Р-фаза) и двухфазная (а + Р)-область, граница которой имеет форму купола. Изоморфная ГЦК Р-фаза, которую по историческим причинам называют гидридом палладия, имеет по сравнению с а-фазой большую концентрацию водорода, больший параметр решетки и соответственно больший удельный объем, а также иные электрические и магнитные свойства [1, 2].

Если при изменении внешних параметров (Т, Рн ) фигуративная точка сплава РёИ пересекает линию бинодали (Т < Ткр), то в сплаве развиваются гидридные а -—- Р - фазовые превращения, которые протекают по классическому механизму зарождения и роста [3]. При этом развитие гидридных превращений сопровождается явлением водородофазового наклепа (явление ВФН) [4-6]. Сущность ВФН [4-6] состоит в следующем. При развитии гидридных превращений возникают, нарастают и релаксируют внутренние "водородные" напряжения [7]. Во-первых, это водородофазовые (ВФ) напряжения, обуславливаемые разностью удельных объемов превращающихся а- и Р-фаз, во-вторых, это водородные концентрационные (ВК) напря-

жения, обусловленные наличием градиентов концентраций водорода, необходимых для развития гидридных а -—- Р превращений.

Релаксация ВФ- и ВК-напряжений осуществляется механизмами водородофазового наклепа, которые включают внутреннюю пластическую деформацию с продуцированием дислокаций, измельчением и разворотом блоков мозаики, перераспределением и захватом атомов водорода возникающими дефектами, что вызывает переформирование водородных напряжений и новое перераспределение водорода и т.д. и т.п. Другими словами, водо-родофазовый наклеп по своей сущности является синергетическим явлением [4-7]. В результате водородофазового наклепа имеет место сильное упрочнение металла и изменение его структурно чувствительных физических свойств [4-7].

К настоящему времени уже достаточно полно изучен водородофазовый наклеп палладия и двухфазных (а + Р)-сплавов РёИ [4-6]. Однако механические свойства отожженного и водородо-фазонаклепанного гидрида палладия (100% Р-фа-зы) до настоящей работы оставались не изученными. Более того, сам вопрос о технологиях получения и свойствах гидрида палладия в отожженном и водородофазонаклепанном состоянии в научной литературе, насколько нам известно, даже не ставился. Между тем, данный вопрос имеет не только научный, но и вполне определенный практический интерес в связи с перспективами развития водородной экономики [8, 9] и, в частности, использования гидридов в водородных технологиях [10].

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Материалами для экспериментов служили проволочные образцы палладия чистоты 99.98 %, диметром 0.5 мм и длиной 165 мм. Содержание примесей в исследуемом материале: Р - 0.009 %, КЬ -0.002 %, Бе - 0.002 %, 1г, Аи, N1, 1п, - не более 0.0001 %.

В работе использовали водородовакуумную установку ВВУ-3, которая позволяет проводить водородную обработку образцов длиной до 200 мм при температурах до 1100°С и давлениях газообразного водорода до 4 МПа с одновременным измерением удельного электросопротивления образца-свидетеля (I = 45 мм).

Механические свойства образцов определяли на разрывной машине РМУ-0.05-1, предназначенной для проведения испытаний образцов на растяжение и разрыв с усилием до 500 Н. Длина рабочей части образцов составляла 100 мм. Перед проведением механических испытаний на рабочую часть образцов наносились метки с шагом 5 мм. Растяжение образцов проводили при постоянной скорости перемещения подвижного зажима разрывной машины - 10 мм/мин, при пределе шкалы нагрузки, равной 100 Н. По результатам испытаний (не менее трех образцов на эксперимент) определяли механические характеристики палладия и гидрида палладия: предел прочности ав, Н/мм2; условный предел текучести а02, Н/мм2; относительное удлинение 5, %.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

1. Механические свойства отожженного гидрида палладия

Технология получения отожженного, малодефектного гидрида палладия путем насыщения палладия водородом "в обход" купола двухфазной области была разработана в ДонНТУ и опубликована в [11, 12].

Основная идея этой технологии состоит в том, что при насыщении палладия водородом выше критической температуры (7^, = 292°С) в образующихся сплавах РёИх не имеет место гидридное а —► Р-фазовое превращение и соответственно не развивается водородофазовый наклеп в его классическом варианте [4-6]. Однако из-за наличия градиентов концентрации возникают водородные концентрационные (ВК) напряжения. В связи с этим при определенных "ударных" параметрах водородной обработки в сплавах РёИх может иметь место водородофазовый наклеп II рода [5], обусловленный возникновением и релаксацией больших ВК-напряжений, и соответственно сплавы РёИх могут достаточно сильно упрочнятся [5]. На их поверхности может происходить сдвиг зерен [12]. Потому при отработке технологии получения

отожженного гидрида палладия экспериментально были найдены условия [12], при которых ВФН II рода не развивается и в результате удается, при насыщении водородом исходно отожженного палладия, получить отожженный гидрид палладия.

При разработке этой технологии было установлено, что если скорость повышения давления водорода в водородовакуумной установке превышает 1.0 МПа/с, то при 300-350°С имеет место сдвиг зерен палладия. Если же насыщение водородом при 300-350°С осуществляется при скоростях подачи водорода менее 0.2 МПа/мин, то полированная поверхность палладия остается неизменной, внутренняя пластическая деформация не развивается и металл после его насыщения водородом остается в исходном отожженном, малодефектном состоянии.

В связи с вышесказанным отожженные (750°С, 0.5 ч) палладиевые проволочные образцы (00.5 мм, длиной 165 мм) обрабатывали в установке ВВУ-3 по нижеописанному режиму. После помещения образцов в рабочую камеру ВВУ-3 и вакуумиро-вания, образцы нагревали до температуры выше критической точки системы Рё-И. После достижения заданной температуры в рабочую камеру напускали газообразный водород со скоростью 0.1-0.2 МПа/мин. После достижения давления в о-дорода Рн = 2.3 МПа делали выдержку с целью

выравнивания концентрации водорода по сечению образцов. Затем при постоянном давлении водорода 2.3 МПа образец охлаждали со скоростью 2-4°С/мин до комнатной температуры (движение по изобаре 2.3 МПа). Таким образом, двигаясь по изобаре 2.3 МПа, фигуративная точка системы заходит за купол двухфазной области системы Рё-И. Медленная скорость охлаждения обеспечивала отсутствие генерации внутренних термических и водородных концентрационных напряжений. После охлаждения до комнатной температуры водород откачивали из камеры со скоростью 0.05-0.1 МПа/мин и образцы извлекали из установки.

В целом разработанная методика насыщения палладия водородом, когда фигуративная точка системы двигается "в обход" купола двухфазной области системы Рё-И, позволяет получать отожженный, малодефектный гидрид палладия, не претерпевший прямое а —► Р-превращение и не подвергнутый, таким образом, водородофазово-му наклепу. Полученные сплавы палладия с водородом в состоянии Р-фазы (гидрида) имели, согласно диаграмме состояния [1], состав РёИ069 (т.е. на каждые 100 атомов палладия в сплаве содержится 69 атомов водорода).

Механические испытания были выполнены немедленно после извлечения образцов из рабочей камеры ВВУ-3. Результаты механических испытаний приведены в табл. 1.

Таблица 1. Механические свойства отожженного палладия и гидрида палладия

№ эксперимента Материал Обработка Предел прочности ов, Н/мм2 Условный предел текучести Oq.2, Н/мм2 Относительное удлинение 5, %

1 Pd Отжиг при 750°C, 0.5 ч 188 38 33

2 PdHö.69 Насыщение водородом при 350°C, PH = 2.3 МПа п2 max 200 31 34

3 PdHö.69 Насыщение водородом при 310°C, PH = 2.3 МПа п2 max 179 37 35

Контрольные измерения удельного электросопротивления до и после испытаний подтвердили, что во время испытаний содержание водорода в сплавах не изменялось.

Итак, как видно из табл. 1, малодефектный, хорошо отожженный гидрид (в-фаза) палладия, полученный "в обход" купола двухфазной (а + в)-области, является малопрочным и высокопластичным материалом. Его механические свойства близки к механическим свойствам чистого, хорошо отожженного палладия.

Рассмотрим эти экспериментальные результаты в свете исторического развития представлений о природе гидридов. Термин "гидрид" был введен в химии [13] для химических соединений водорода с металлами, подобно тому, как карбид, бо-рид, нитрид - для соединений металлов с углеродом, бором и азотом. Химические соединения обычно имеют точный стехиометрический состав. Поскольку для них характерно преобладание кова-лентной (или ионной) связи,

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»