STRUCTURAL MATERIALS
Статья поступила в редакцию 31.08.15. Ред. рег. № 2325 УДК 669.234.017.3
The article has entered in publishing office 31.08.15. Ed. reg. No. 2325
10.155187isjaee.2015.17-18.011
ОСОБЕННОСТИ РАЗВИТИЯ ПРЯМЫХ а^р ГИДРИДНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ В РАЙОНЕ КУПОЛА ДВУХФАЗНОЙ ОБЛАСТИ СИСТЕМЫ Pd-H
Г.И. Жиров, 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
Изучены особенности прямых гидридных а^Р превращений в районе купола двухфазной области в термодинамически открытой системе палладий-водород.
Показано, что прямые гидридные фазовые превращения в области купола развиваются по классическому механизму зарождения и роста зародышей. При этом при пониженных температурах морфология продуктов превращения имеет смешанный характер, т.е. массивный рост зародышей новой фазы сменяется выбрасыванием иглообразных отростков и дальнейшим их переформированием. При температурах, близких к критической точке, превращение происходит механизмом, который не приводит к изменениям на полированной поверхности образца.
Ключевые слова: фазовые превращения, система Pd-H, гидриды, критическая точка.
PECULIARITIES OF DIRECT а^р HYDRIDE TRANSFORMATIONS EVOLITION NEAR CUPOLA OF TWO-PHASE REGION OF Pd-H SYSTEM
G. I. Zhirov, 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
Peculiarities of direct hydride а^Р transformations evolution near cupola of two-phase region of Pd-H system are experimentally studied.
It is shown that they are developed by the classical mechanism of generation and growth. Thus, at low temperatures, the morphology of the transformation products is mixed, i.e. the massive growth of new phase nuclei is replaced by removing the needlelike outgrowths and their further rearrangement. At temperatures which are close to the critical point the transformation develops in the way of a mechanism that does not lead to changes in the polished sample surface.
Keywords: phase transformations, Pd-H system, hydrides, critical point.
П lifi
Григорий Иванович Жиров Grigoriy I. Zhirov
Сведения об авторе: канд. физ.-мат. наук, ст. преподаватель кафедры технической физики Белорусского национального технического университета.
Образование: Донецкий национальный технический университет (1998).
Область научных интересов: взаимодействие водорода с металлами, структурно-фазовые превращения в палладии и его сплавах.
Публикации: более 30.
Information about author: Candidate of Science (Physics and Mathematics), Lecturer, Senior Lecturer at the Technical Physics Department of the Belarusian National Technical University.
Education: Donetsk National Technical University (1998).
Research area: hydrogen-metal interaction, structural and phase transformations in palladium and its alloys.
Publications: more than 30.
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
В физике твердого тела и физике металлов общеизвестным является то, что в результате внешнего воздействия в полиморфных материалах реализуются фазовые превращения: мартенситные, бейнитные, диффузионные, превращения смешанного типа и т.д. [1-4].
В термодинамически открытых системах фазовые переходы могут быть вызваны как изменением температуры, так и изменением давления. Одними из видов фазовых превращений, индуцированных водородом в системах Ме-Н, являются гидридные превращения, которые имеют особую диффузионно-кооперативную природу [5-7]. Сущность этой природы заключается в том, что в неравновесных условиях в системах Ме-Н имеют место взаимообусловленные и взаимозависимые синергетические перестройки водородной подсистемы и металлической матрицы. При этом атомные перестройки водородной и металлической подсистем осуществляются принципиально различными механизмами. Водородная подсистема перестраивается диффузионным путем, а кристаллическая решетка - кооперативным, мартенситоподобным механизмом.
Важной отличительной чертой гидридных (диффузионно-кооперативных) фазовых превращений, в соответствии с [5, 7], является то, что внутренние водородные напряжения, их возникновение, перераспределение и релаксация играют огромную роль в развитии гидридных превращений. В настоящее время известны два типа водородных напряжений [8].
Во-первых, это напряжения, обусловленные разностью удельных объемов превращающихся фаз и бездиффузионным механизмом перестройки их кристаллических решеток. Эти напряжения называются «водородофазовыми напряжениями», или ВФ-напряжениями [6]. Другой тип напряжений - это водородные концентрационные напряжения (ВК-напряжения), возникающие в металле при наличии
градиентов концентрации водорода. Фундаментальная особенность гидридных превращений заключается в том, что поля упругих напряжений и поля концентрации водорода взаимосвязаны и взаимно обусловлены. Они синергетически реагируют на все изменения внешних параметров и на ход развития гидридного превращения [7].
Эксперименты, описанные в данной работе, дают новую, полезную возможность для раскрытия некоторых конкретных особенностей гидридных фазовых превращений в системах Ме-Н в условиях их термодинамической открытости и обмена с внешней средой не только энергией, но и веществом (водородом).
Материал и образцы для исследования
В настоящей работе материалом для исследований служил палладий чистотой 99,98%, который содержал следующие микропримеси: Р1 - 0,009%, ЯИ -0,002%, Бе - 0,002%, 1г, Аи, N1, 1п, 81 - не более 0,0001%.
На Екатеринбургском заводе по обработке цветных металлов (ЕЗОЦМ) из указанного палладия была изготовлена проволока диаметром 0,5 мм. В нагарто-ванном состоянии поставки (~95% деформации) палладий имел следующие механические характеристики: ов = 297 Н/мм2; о0,2 = 224 Н/мм2; 5 = 1,1%.
Из указанной палладиевой проволоки изготавливались образцы для исследований применительно для параметров водородовакуумной установки ВВУ-2 [9] следующим образом.
Проволочные образцы палладия длиной 23 мм и диаметром 0,5 мм предварительно изгибали П-образно. Затем их отжигали в вакууме ~1 Па при 1000 °С в течение 1 часа и охлаждали вместе с печью до комнатной температуры. Величина зерна палладия после отжига составляла 150 мкм.
На верхней части образцов готовили металлографические шлифы по специально разработанной методике, сводящей к минимуму наклеп в приповерх-
ностных слоях образца. Для этого П-образный образец зажимали двумя пластиковыми пластинами в мини-струбцине. Затем поверхность образца шлифовали на фотобумаге с использованием мелкодисперсной алмазной пасты. В процессе шлифования верхняя часть образца стачивалась на глубину 0,10,2 мм; в среднем площадь шлифа составляла —0,45x2,6 мм. Окончательное полирование осуществляли на влажной бархатной ткани. После полировки шлиф очищали медицинским спиртом, извлекали из струбцины и монтировали в рабочую камеру установки ВВУ-2.
Установка позволяет реализовать на одном образце две методики исследований: методику оптической микроскопии с видеозаписью протекающих изменений на поверхности шлифа в реальном времени и методику измерения электросопротивления.
Подробно схема водородовакуумной установки и методика исследований приведена в работе [10].
Видеозапись изменений поверхности образца обрабатывалась с помощью компьютера. Точность покадрового анализа составляла 0,04 секунды. Оцифрованная информация обрабатывалась с помощью программ: Pinnacle Studio, Adobe Premiere, Corel.
Результаты эксперимента
Во всех экспериментах, выполненных на установке ВВУ-2, отожженный образец палладия первоначально нагревали в вакууме (~1 Па) до 350 °С (со скоростью 5-7 °С/мин) и выдерживали при этой температуре до стабилизации электросопротивления. Далее образцы медленно насыщали водородом (со скоростью 0,1-0,2 МПа/мин) для получения исходных отожженных сплавов PdHx. Параметры обработок обобщены в табл. 1. Далее для каждого нижеописанного способа подготовки отожженных образцов укажем подход, используемый для инициации в них фазово-структурных превращений.
Таблица1
Экспериментальные параметры водородных обработок, обеспечивающих получение отожженных сплавов палладий-водород
Table 1
Experimental parameters of hydrogen treatments to produce annealed alloys palladium-hydrogen
№ п/п Параметр Значение
1 Скорость нагрева/охлаждения в вакууме, °С/мин 5-7/3-5
2 Скорость нагрева/охлаждения в водороде, °С/мин 2-4/2-3
3 Скорость напуска/эвакуации водорода, МПа/мин 0,1-0,2/ 0,05-0,1
4 Среднее время выдержки в вакууме, мин ~10
5 Среднее время выдержки в водороде, мин не менее 10
Рассмотрим подробно проведение каждого отдельного эксперимента.
Всего было выполнено пять экспериментов, условия проведения которых обобщены в табл. 2. После выдержки образца в вакууме при температуре Т = 350 °С и напуска в рабочую камеру водорода до давления Рн2кр МПа (см. табл. 2, колонка 3) производили выдержку до стабилизации электросопротивления. Далее осуществляли медленное охлаждение до Ткр (колонка 2) п
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.