Статья поступила в редакцию 24.09.13. Ред. рег. № 1792
The article has entered in publishing office 24.09.13. Ed. reg. No. 1792
УДК 669.234.017.3:669.788
ВОДОРОДОФАЗОВЫЙ НАКЛЕП ПАЛЛАДИЯ В РЕЗУЛЬТАТЕ ОБРАТНОГО Р^ а ГИДРИДНОГО ФАЗОВОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ
Г.И. Жиров
Донецкий национальный технический университет
ул. Артема, 58, Донецк 83001, Украина Тел.: +38 (062) 3050235; e-mail: zhirovfamily@ukr.net
Заключение совета рецензентов 26.09.13 Заключение совета экспертов 30.09.13 Принято к публикации 03.10.13
Изучено упрочнение палладия при водородофазовом наклепе в результате обратного Р^ а гидридного фазового превращения в сплавах палладий-водород. Показано, что степень водородофазового наклепа, в основном, определяется разностью удельных объемов превращающихся фаз. С понижением температуры превращения и увеличением разности удельных объемов превращающихся фаз упрочнение палладия при водородофазовом наклепе закономерно усиливается, а его пластичность, соответственно, уменьшается. При этом плотность дислокаций и величина микроискажений возрастает, а блоки мозаики измельчаются.
Ключевые слова: водородофазовый наклеп, гидридное превращение, упрочнение, пластичность, плотность дислокаций, внутренние напряжения.
HYDROGEN PHASE NAKLEP OF PALLADIUM IN RESULT OF REVERSE HYDRIDE
Р^а PHASE TRANSFORMATION
G.I. Zhirov
Donetsk National Technical University 58, Artyom St., Donetsk 83001, Ukraine Tel.: +38 (062) 3050235, e-mail: zhirovfamily@ukr.net
Referred 26.09.13 Expertise 30.09.13 Accepted 03.10.13
Palladium hardening at hydrogen phase naklep as a result of reverse fl^ а hydride phase transformation was investigated in palladium-hydrogen alloys. It is shown that the hydrogen phase naklep degrees, in general, are determined by the specific volume difference of transforming phases. With the transforming temperature decrease and the specific volume difference of transforming phases increase, the palladium hardening at the hydrogen phase naklep regularly increases, and its plasticity, correspondently, decreases. The dislocations density and microdistortions values increase and mosaic blocks crashed.
Keywords: hydrogen phase naklep, hydride transformation, strenghtening, plasticity, dislocations density, internal stresses.
Введение
Фазовый наклеп, как физическое явление и как метод упрочнения сталей и сплавов, был установлен и разработан отечественными учеными. Еще в 30-х годах прошлого века академик А.А. Бочвар [1] сформулировал положение, что в процессе фазовых превращений должен иметь место внутренний (фазовый) наклеп сталей, обусловленный разностью удельных объемов превращающихся а- и 7-фаз. В последующем В.Д. Садовский, К.А. Малышев и их ученики - В.Г. Горбач и В.В. Сагарадзе разработали основы технологии упрочнения аустенитных сталей методом фазового наклепа [2-8]. В.И. Архаров и Ю.Д. Козманов впервые показали [9], что упрочнение при фазовом наклепе зависит не только от разности удельных объемов превращающихся а-и 7-фаз, но и от формы растущих кристалликов новой фазы. М.М. Штейнберг, П.В. Гельд, В.А. Гольцов и Л.Г. Журавлев впервые изучили
фазовый наклеп железомарганцевого аустенита [10] и влияние фазового наклепа на водородопроницаемость железоникелевых и железомарганцевых сплавов [11,12]. Было установлено, что фазовый наклеп ускоряет проникновение водорода в аустените, что позволило сделать вывод, что фазовый наклеп является более "широким" физическим явлением, чем просто упрочнение металла.
Концепция о водородофазовом наклепе была выдвинута, обоснована и экспериментально подтверждена в 1972 г. [13], а затем в последующие годы всесторонне разработана и обобщена [14,15,1618].
Сущность этого неизвестного ранее явления в наиболее общей форме была сформулирована [16] следующим образом. Водородофазовый наклеп - это явление управляемого перехода металлов в высокопрочные структурные состояния с особыми физическими свойствами, обусловленное
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 01 (141) 2014 © Научно-технический центр «TATA», 2014
воздействием на металл водорода и индуцированных им фазовых превращений, протекающих с развитием внутренней пластической деформации (из-за разности удельных объемов фаз и ее зависимости от воздействия водорода) и при активном взаимодействии растворенного водорода, формирующихся водородсодержащих фаз и генерируемых дефектов кристаллического строения (явление ВФН).
Особенности водородофазового наклепа как физического явления проанализированы в [15,17]. Показано, что только водород, обладая комплексом уникальных возможностей, в состоянии возбудить столь характерное явление в металлах, каковым является управляемый водородофазовый наклеп (ВФН). Все другие элементы (углерод, кислород и т.д.), формирующие во многих металлах растворы и фазы внедрения, имеют недостаточно высокие коэффициенты диффузии, а их фазы внедрения слишком стабильны (высокая теплота образования). Для разложения этих фаз необходим, как правило, нагрев материала до чрезвычайно высоких температур, так что явления, подобные ВФН, оказываются невозможными.
В целом, наиболее общий механизм явления ВФН состоит в следующем [15,17]. Под воздействием водорода, проникающего в металл из газовой фазы или другой среды подходящих параметров, в металле развиваются индуцированные водородом фазовые превращения. Процесс фазовых переходов может регулироваться путем изменения внешних параметров по полноте превращения и по количеству прямых и обратных превращений, в связи с чем он вызывает в металле управляемый процесс развития внутренней пластической деформации (релаксации), обусловленной разностью удельных объемов фаз и ее изменениями под воздействием водорода. Металл подвергается при этом внутреннему или фазовому наклепу. Однако в отличие от фазового наклепа сталей, обусловленного у — а— у или у— е — у превращениями, водородофазовый наклеп вызывается не только развитием внутренней пластической деформации в металле, но и развитием (в процессе внутренней пластической деформации) специфических процессов взаимодействия растворенного водорода, водородсодержащих фаз и генерируемых дефектов кристаллического строения. Указанные особенности водородофазового наклепа взаимообусловлены и вызывают, в целом, неаддитивные изменения структуры и свойств металла [15,17].
Конкретные схемы и режимы водородной обработки на ВФН обобщены в [16]. Они заключаются, например, в термоциклировании или бароциклировании с развитием а о ¡3 превращений, в насыщении водородом (из газовой фазы, электрохимическим методом) с развитием только прямого а — ¡3 превращения заданной полноты и т.д. На завершающем этапе металл либо дегазируется полностью (монофазонаклепанное состояние), либо
не дегазируется совсем или частично (полифазонаклепанное состояние).
Водородофазовый наклеп вызывает регулируемое и весьма сильное упрочнение металлов. Например, отожженный палладий имеет относительно невысокие механические свойства. Упрочнение и изменения физических свойств палладия при водородофазовом наклепе обобщены в работе [15].
Таким образом, палладий, будучи металлом, не обладающим полиморфизмом (классический вариант фазового наклепа невозможен), может быть, тем не менее, упрочнен водородофазовым наклепом в столь же сильной степени, как и при пластической деформации (но при определенных условиях) без изменения размеров и формы.
Здесь необходимо отметить, что феноменологические особенности упрочнения палладия при водородофазовом наклепе во многом остаются пока не исследованными. Так, не ясно, какой вклад вносят в упрочнение палладия обратные ¡3 — а гидридные превращения? Важно также получить дополнительную информацию о том, какую роль в процессах водородофазового наклепа играет такой основополагающий фактор, как величина разности удельных объемов превращающихся а- и ¡-фаз.
Изучение эволюции субструктуры палладия при ВФН было начато в работе [21] и продолжено в работе [22]. Остановимся далее на результатах работы [22]. В этой работе палладий в виде фольги подвергали ВФН путем насыщения водородом при 20°С из газовой фазы, что обеспечивало прямое гидридное а — ¡3 превращение, степень развития которого регулировали временем насыщения. При проведении рентгеноструктурных исследований в качестве эталонов использовали образцы палладия, отожженные при 900оС (2 ч), и образцы гидрида палладия (100%-ная ¡-фаза), полученные по специально разработанной технологии, при которой они не были подвергнуты водородофазовому наклепу.
Субструктура исходного палладия имела такие характеристики: плотность дислокаций р = 107108 см-2, величина блоков мозаики Б > 0,3 мкм, а микроискажения л/(е2) практически отсутствовали. Как видно из рис. 1, развитие гидридного а— ¡ превращения сразу же при 5-10% ¡-фазы обусловило формирование гидридной фазы с весьма высокой плотностью дислокаций и высоким уровнем микроискажений. На этих же этапах уже получают развитие процессы внутренней пластической деформации не затронутых превращением (90-95%) объемов а-палладия.
Об этом свидетельствует (рис. 1) рост плотности дислокаций и микроискажений в а-фазе и, что особенно существенно, сразу достаточно сильное измельчение ее блочной структуры (Б = 0,2 мкм при 10% ¡-фазы). С развитием превращения и ростом количества ¡-фазы работают механизмы
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 01 (141) 2014
© Scientific Technical Centre «TATA», 2014
водородофазового наклепа, и дальнейшее накопление несовершенств кристаллического строения идет таким образом, что в районе ~50% р фазы характеристики структуры а- и рфаз заметно сближаются.
Рис. 1. Размеры блоков мозаики D, плотности дислокаций р и величина микроискажений ij(e2) а(1,4,6)- и ^(2,3,5)-фаз водородофазонаклепанного палладия в зависимости от
полноты а — ß превращения [22] Fig. 1. Values of mosaic blocks D, dislocations density р and
micro distortions -Jis2) of а (1,4,6)- and ß(2,3,5)-phases of the
HPN-treated palladium depending on а — ^transformation completeness [22]
С дальнейшим развитием а — ß превращения ситуация су
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.