ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2004, том 97, № 4, с. 17-27
^^^^^^^^^^^^^^^^ ТЕОРИЯ
МЕТАЛЛОВ
УДК (669.292/.294+669.788):539.37.001
МОДЕЛЬ ДЕФОРМАЦИОННОГО ПОВЕДЕНИЯ НАВОДОРОЖЕННЫХ МЕТАЛЛОВ V ГРУППЫ
© 2004 г. М. П. Пещеренко, В. В. Русаков, Ю. Л. Райхер
Институт механики сплошных сред УрО РАН, 614013 Пермь, ул. Королева, 1 Поступила в редакцию 16.12.2002 г.; в окончательном варианте - 29.09.2003 г.
Выдвинута гипотеза о том, что особенности термодеформационного поведения сплавов металл V группы-водород обусловлены ориентационно-упругим взаимодействием водородных кластеров, образующихся в матрице металла. Предложена модель, описывающая влияние ориентационного упорядочения кластеров на макроскопические деформации образца наводороженного металла при изменении температуры и внешней нагрузки. Результаты расчета сопоставлены с экспериментальными данными.
1. ВВЕДЕНИЕ
Проблема взаимодействия водорода с металлами относится к разряду классических в физике твердого тела и в металловедении [1-4]. Изучение структур, образуемых водородом в кристаллической решетке, механизмом аномально высокой водородной диффузии и т.д. имеет как фундаментальный, так и практический интерес. С одной стороны, присутствие водорода как легирующего элемента может быть нежелательным: хорошо известно водородное "отравление" металлов [2, 5]. С другой стороны, в последнее время было показано, что примесь водорода может иметь и положительный технологический эффект [6]. Таким образом, изучение механических аспектов взаимодействия водорода с металлами является актуальной задачей.
При экспериментальном исследовании сплавов металл V группы-водород обнаружен ряд интересных закономерностей их поведения под нагрузкой. Понимание же этих явлений пока что исчерпывается принципиальным утверждением о том, что причиной макроскопических деформационных эффектов являются взаимодействия водородных атомов и кластеров друг с другом. Описанию теоретической модели, способной к количественным предсказаниям посвящена настоящая работа.
Водород в переходных металлах V группы образует твердый раствор внедрения, в котором малые по размеру атомы водорода занимают преимущественно тетраэдрические поры в ОЦК-ре-шетке металла. Высокотемпературное состояние такого сплава - это так называемая а-фаза, где водородные атомы хаотически распределены по подрешетке междоузлий. При понижении температуры в водородной подсистеме происходит переход типа газ-жидкость с образованием облас-
тей повышенной концентрации (а'-фаза). В результате образуется смесь "газообразной" (а) и "плотной" (а') водородных фаз. При дальнейшем охлаждении внутри островков а'-фазы происходит упорядочение атомов внедрения (переход типа жидкость-твердое тело), и образуется гидрид-ный кристалл, или Р-фаза водорода. Металлическая матрица при этом играет роль среды, передающей взаимодействие между включениями. Равновесный фазовый состав твердого раствора внедрения определяется содержанием примеси внедрения и температурой. В частности, для сплава №-Н в широком диапазоне состава (от 0.12 до 0.5 атомов водорода на атом металла) выделение гидрида происходит при охлаждении ниже 85°С (см. диаграмму состояния на рис. 1). Выше указанной температуры а'-включения, находящиеся в а-фазе, сохраняют неизменным тип кристаллической решетки и имеют повышенную концентрацию водорода, ниже - а-фаза наполнена уже частицами гидрида, которые имеют свою, отличную от матричной, кристаллическую решетку.
В наводороженных металлах V группы фазового состава а + а' экспериментально обнаружены [8-12]) необычные деформационные свойства, которые получили название эффекта пластичности превращения (ЭПП) и эффекта памяти формы (ЭПФ).
Эффектом пластичности превращения называется, согласно [13], изменение сопротивления пластической деформации, обусловленное фазовыми превращениями. Эксперимент по наблюдению ЭПп заключается в следующем. К образцу прикладывается нагрузка (ниже предела текучести), и он подвергается охлаждению. По достижении температуры образования гидрида появляет-
Т, °С 200
150-
100 -
50-
и х 104
4
и/къ
60
120
180
Т, °С
Рис. 1. Диаграмма состояния сплава КЬ-Ы по [14].
Рис. 2. Эффект пластичности превращения и эффект памяти формы в сплаве КЬ-Ы (40 ат. % Ы) согласно [7].
ся деформация образца в направлении приложенной силы. Если, не изменяя температуры, снять внешнюю нагрузку, то накопленная деформация полностью не релаксирует, и образец остается пластически деформированным.
Эффектом памяти формы называется [13] способность деформированного образца восстанавливать свою первоначальную форму при нагреве. Разновидностью ЭПФ является обратимое изменение формы при термоциклировании. При простом ЭПФ однократный нагрев образца приводит к восстановлению его формы, а последующее понижение температуры не вызывает деформационных явлений. При обратимом ЭПФ имеет место самопроизвольная деформация образца не только при повышении, но и при понижении температуры.
Типичные зависимости деформаций ЭПП и ЭПФ, наблюдавшиеся в [7] на проволочных образцах КЬ-Ы и Та-Ы при нагружении моментом сил, приведены на рис. 2 и 3, где по оси ординат отложена относительная деформация кручения. Стрелки рядом с кривыми указывают направление изменения температуры в процессе эксперимента. Величина а задает значение приложенного напряжения закрутки на боковой поверхности проволочки.
Поясним, как конкретно проявляются указанные эффекты в термодеформационном поведении проволочки из КЬ-Ы (рис. 2). Охлажденный до 20°С образец медленно нагревают без нагрузки (линия а-Ь). В этом процессе при температуре
порядка 80°С наблюдается небольшое самопроизвольное скручивание образца. Затем к нагретому образцу прикладывают нагрузку, которая вызывает его деформацию (прямая Ь-с). Последующее охлаждение под нагрузкой приводит к дополнительной неупругой деформации (кривая с-й). Изотермическая разгрузка (прямая й-е) дает только частичный возврат накопленной деформации, образец остается деформированным, т.е. имеет место ЭПП. Дальнейший возврат деформации (восстановление исходной формы) образца обеспечивается только нагреванием. Этот процесс, описываемый кривой е-/, как раз и говорит о том, что материал обладает ЭПФ. Следующее за этим охлаждение без нагрузки (линия /-£) вновь вызывает самопроизвольную закрутку проволочки.
Термодеформационное поведение образца Та-Ы также дает ясный пример ЭПП и ЭПФ, (рис. 3). К нагретой выше 80°С проволочке приложен момент сил, в результате чего она упруго закручивается в направлении приложенной силы. Затем образец медленно охлаждается. Процесс охлаждения сопровождается дополнительной закруткой в том же направлении, тем большей, чем ниже опускается температура (нижняя кривая), т.е. реализуется ЭПП. Последующий нагрев (верхняя кривая) ликвидирует накопленную неупругую деформацию, восстановление формы образца идет по механизму ЭПФ.
Принимая вывод о том, что необычные механические свойства наводороженных металлов V
3
с
2
1
Ь
0
0
0
группы обусловлены их мезоскопической неоднородностью, сформулируем концепцию, которая позволяет дать непротиворечивое объяснение описанным выше экспериментальным результатам. Мы предполагаем, что в сплаве металл-водород структурного состава а + а' значительная часть растворенного водорода конденсируется в кластеры анизометричной формы, ориентационное взаимодействие которых друг с другом и с полем напряжений приводит к наблюдаемым нелинейным деформационным эффектам.
Известно, что в определенном интервале температур и концентраций внедренных атомов твердый раствор металл V группы-водород приобретает структуру а + а', т.е. в нем возникает ансамбль включений а'-фазы (водородных кластеров). Например, для сплава КЬ-Ы это происходит (см. рис. 1) при 80-180°С и содержании водорода ~0.4 атома на один атом металла. Есть все основания считать, что водородные кластеры имеют анизометричную (пластинчатую) форму. В самом деле, островки а'-фазы при дальнейшем понижении температуры служат зародышами гидридных включений, которые имеют форму пластинок с типичным размером в несколько сот микрометров (см., напр., [14]). Естественно полагать, что эту форму кристаллы Р-фазы наследуют от своих предшественников - водородных кластеров а'-фазы. Размеры и концентрацию пластинчатых а'-клас-теров можно эффективно регулировать как за счет нагревания/охлаждения образца, так и за счет притока/оттока водорода. Будем считать, что при фиксированном содержании водорода в металле (~0.4 Н/Ме) и в рассматриваемом нами температурном интервале средний размер кластера имеет порядок десяти микрометров.
Деформируя исходную металлическую матрицу, водородный кластер создает вокруг себя поле упругих напряжений, причем в силу дальнодейству-ющего характера последнего, различные кластеры "чувствуют" друг друга на мезоскопических расстояниях. Иными словами, однажды возникнув в прежде однородной матрице, кластеры вступают во взаимодействие посредством некоторого упругого потенциала, зависящего от их взаимной ориентации. В качестве равновесных состояний системы возможны как хаотический разброс, так и ориентационное упорядочение ансамбля кластеров.
В рамках обсуждаемой модели, приложение нагрузки к образцу с гетерогенной (кластерной) структурой приводит к двум эффектам. Во-первых, под действием изотропной части напряжения (давления) происходит изменение размеров и численности кластерных включений. Во-вторых, анизотропное напряжение (одноосное растяжение, сдвиг) оказывает на анизометричные частицы ориентирующее действие. Проводя аналогию с теорией жидкокристаллического состояния,
и х 104 10
8
6
4
2
20 30 40 50 60 70 80 90
Т, °С
Рис. 3. Эффект пластичности превращения и эффект памяти формы в сплаве Та-Ы (45 ат. % Ы) согласно [7]; напряжение закрутки а = 30 МПа.
можно говорить о том, что в ансамбле водородных кластеров анизотропная часть межчастичного потенциала обусловливает эффект ориентаци-онного упорядочения, в то время как изотропная часть потенциала влияет только на величину межчастичного взаимодействия. Однако механизм переориентации частиц в нашем с
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.