Эффекты ориентационного упорядочения в двухфазных сплавах металл V группы - водород

Пещеренко, Марина Петровна

Эффекты ориентационного упорядочения в двухфазных сплавах металл V группы - водород тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Пещеренко, Марина Петровна АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Пермь МЕСТО ЗАЩИТЫ

2000 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.07 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Эффекты ориентационного упорядочения в двухфазных сплавах металл V группы - водород»

Автореферат диссертации на тему "Эффекты ориентационного упорядочения в двухфазных сплавах металл V группы - водород"

Пермский государственный университет

На правах рукописи

РГ5 ОД 2 9 АВГ 2003

Пещеренко Марина Петровна

Эффекты ориентационного упорядочение в двухфазных сплава металл V группы - водород

01.04.07 — физика твердого тела

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Пермь - 2000

Работа выполнена на кафедре физики твердого тела Пермского государственного университета.

Научный руководитель - доктор физико-математических наук,

профессор Л.В. Спивак

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук,

профессор М.А. Марценюк (Пермский государственный университет) ,

- доктор физико-математических наук, В.А. Полухин

{Институт металлургии УрО РАН, г. Екатеринбург)

Ведущая организация - Институт механики сплошных сред

УрО РАН, г. Пермь

Защита состоится «22» июня 2000 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д-063.59.03 при Пермском государственном университете (г. Пермь, ГСП, 614600, ул Букирева, 15).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пермского государственного университета.

Автореферат разослан » мая 2000 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д-063.59.03

кандидат физико-математических наук, .

доцент С^бфиМ г-и- Субботин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Проблема взаимодействия водорода с металлами более 150 лет привлекает широкий круг исследователей. Объем журнальных публикаций по различным аспектам данной тематики постоянно растет. Как в России, так и за рубежом появляются многочисленные монографии и обзоры. В них затрагиваются фундаментальные вопросы состояния водорода в металлах, механизма аномально высокой диффузионной подвижности водорода в металлах, последствия неизбежного и во многих случаях нежелательного присутствия водорода в конструкциоЕШых материалах. Однако, в последнее время было показано, что присутствие водорода в металлах может также и благотворно сказываться на ряде технологических или эксплуатационных свойств сплавов. Это обстоятельство заставило изменить преобладающий односторонний взгляд на механические аспекты взаимодействия водорода с металлами.

Различают два подхода к изучению влияния водорода на механическое поведение металлов и сплавов. При традиционном подходе процесс исследования разделяют на две стадии — сначала осуществляется формирование структуры материала при его насыщении водородом, а затем исследуется влияние структуры на особенности поведения сплава при механическом нагружении. Однако, поскольку внедрение водорода приводит к нарушению механического равновесия кристаллической решетки, возникновению полей напряжений, то все большее признание получает подход, в котором процессы насыщения водородом и механического нагружения совмещаются. Введение водорода в образец происходит непосредственно в ходе механических испытаний, осуществляется так называемое «динамическое наводороживание».

Исследования в обоих направлениях ведутся весьма активно. В частности, накоплен обширный экспериментальный материал о поведении сплавов металл V группы — водород при механических воздействиях. В рамках первого подхода открыты: твист-эффект, эффект пластичности превращения, памяти формы, деформации ориентированного превращения, наблюдаемые при фиксированном составе сплавов. Позже обнаружены их концентрационные аналоги, наблюдаемые при «динамическом» насыщении образцов в рамках второго подхода.

Встал вопрос о более тщательном теоретическом исследовании природы этих явлений, до сих пор не получивший должного освещения в научной литературе. Таким образом, целью данной работы явилась попытка найти решение поставленной проблемы.

Цель работы состоит в построении гипотезы о механизме обнаруженных эффектов, создании на ее основе теоретической модели и соответствующей методики расчета механического последействия в зависимости от температуры, содержания водорода в сплаве и величины приложенной нагрузки.

Научная новизна результатов. Впервые предложено физическое описание механизма эффектов пластичности превращения, памяти формы, деформации ориентированного превращения и твист-эффекта.

Построена адекватная математическая модель, описывающая все деформационные эффекты при изменении температуры и внешней силы для сплавов постоянного состава, а также для сплавов, состав которых изменяется в процессе эксперимента.

Выполнены расчеты деформационного отклика'двухфазных сплавов постоянного состава в зависимости от температуры и напряжений; сплавов переменного состава в зависимости от напряжений и концентрации водорода в металле при изотермических испытаниях.

Предсказана возможность наблюдения в исследуемых системах концентрационного твист-эффекта, заключающегося в самопроизвольной деформации образца ненагруженного сплава при достижении в нем критической концентрации водорода.

Практическое значение работы определяется тем, что полученные в ней результаты позволяют прогнозировать реакцию материала, содержащего водород или поглощающего водород из окружающей среды, на приложение нагрузки или изменение температуры.

Достоверность результатов обеспечена соответствием экспериментальных и теоретических данных, а также применением современных расчетных методов.

Автор защищает:

1. Гипотезу о кластерном упорядочении в двухфазных сплавах металл — водород при температурных, механических воздействиях, а также при изменении состава сплава.

2. Результаты расчетов эффектов пластичности превращения, памяти формы, деформации ориентированного превращения и твист-эффекта для сплавов постоянного состава.

3. Результаты расчетов деформационного отклика при изотермическом нагружении сплавов переменного состава.

4. Теоретический вывод о наличии концентрационного твист-эффекта.

Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на IV международной конференции «Прочность и пластичность материалов в условиях внешних энергетических воздействий» (г.Новокузнецк, 1995 г.), XV уральской школе металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов» (г.Екатеринбург, 2000 г.), V Международной школе-семинаре «Эволюция дефектных структур в конденсированных средах» (г.Барнаул, 2000 г.) и на научных семинарах кафедры физики твердого тела ПГУ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы (81 библиографическая ссылка). Она изложена на 74 страницах, содержит 27 рисунков и 4 табпииы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение посвящено общей характеристике работы. Обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы, рассмотрено краткое содержание глав диссертации.

В первой главе представлен обзор таких аспектов взаимодействия водорода с металлом, как адсорбция, переход атомов водорода через поверхность, диффузия и растворимость водорода в кристаллической решетке металла. Кроме того, приведены основные выводы теории спинодального распада твердых растворов. Описаны эффекты механического последействия для систем металл V группы — водород.

Твист-эф фектп. Возникновение самопроизвольной деформации кручения в насыщенных водородом образцах. Проволочные образцы помещаются в обратный крутильный маятник и охлаждаются до температур образования гидридов. В отсутствие внешней нагрузки наблюдается деформация кручения, обратимая при последующем тер-моциклировании.

Эффект, пластичности превращения, эффект памяти формы. Эффект пластичности превращения состоит в деформация образца в направлении приложенной нагрузки (обычно меньшей предела текучести) при охлаждении образца до температуры образования гидрида. Удаление внешней нагрузки не возвращает накопленную деформацию,

т.е. образец, остается пластически деформированным. Эффектом памяти формы называют способность деформированного образца восстанавливать свою первоначальную форму при нагреве. Разновидностью эффекта памяти формы является обратимое изменение формы при термоциклировании. В отличие от простого эффекта памяти формы, когда после восстановления формы последующее понижение температуры не вызывает деформационных явлений, при обратимом эффекте имеет место самопроизвольная деформация образца не только при повышении, но и при понижении температуры.

Эффект деформации ориентированного превращения. Образец, нагруженный ниже предела текучести, охлаждается до температур, при которых происходит образование гидридной фазы. Затем нагрузка снимается, и проводится дальнейшее охлаждение. В процессе охлаждения образец продолжает деформироваться в прежнем направлении, хотя и с заметно меньшей скоростью. При последующем нагреве практически полностью возвращается деформация, накопленная как при действии поля напряжений, так и при его отсутствии.

Концентрационные эффекты. Подобно обычным эффектам, концентрационные эффекты обусловлены изменением фазового состава сплава, находящегося в поле внешних сил. Отличие от вышеописанных явлений состоит в том, что изменение структурного состояния образца достигается путем изменения концентрации водорода в сплаве при постоянной температуре.

На первый взгляд, данные эффекты существенным образом различаются. Так, твист-эффект или самоскручивание наблюдается в отсутствие каких-либо специально созданных полей напряжений. Эффект пластичности превращения и эффект памяти формы — при прохождении температурного интервала фазового превращения в условиях внешнего механического воздействия, являющегося ориентирующим фактором. Эффект деформации ориентированного превращения развивается при комбинации условий, необходимых для наблюдения трех первых явлений — в процессе изменения температуры последовательное приложение и снятие внешней нагрузки приводит к известному результату.

С другой стороны, полностью разнородными описанные эффекты считать нельзя. Каждый из них отличается от остальных только набором условий эксперимента, при которых он наблюдается. В металлических сплавах с фиксированной концентрацией водорода этих

условий два — температура и внешняя сила, вызывающая напряженное состояние образца. Для сплавов меняющегося состава добавляется еще один параметр — концентрация водородных атомов. Следует отметить, что деформации в ответ на изменение внешних условий наблюдаются только тогда, когда из однородного твердого раствора начинает выделяться новая фаза, отличающаяся от матричной составом и структурой. Не важно, происходит ли распад при изменении температуры или изменении концентрации водородных атомов. Только в двухфазных сплавах наблюдаются все перечисленные эффекты. Следовательно, мы можем говорить о некой однородной среде, содержащей изолированные частицы новой фазы, и о реакции этой системы на меняющиеся условия эксперимента.

Во второй главе выдвинута гипотеза о механизме кластерного упорядочения, выбрана соответствующая модель и выполнен расчет макроскопической деформации для сплавов заданного состава в зависимости от температуры и напряжений. Проведено сравнение результатов расчета с результатами эксперимента.

Центральное место в данной главе принадлежит гипотезе с физической сути явлений, поэтому нам представляется важным уделить должное внимание ее описанию. Экспериментальные исследования показали, что заметные деформационные эффекты в наводорожен-ных образцах начинают наблюдаться только вблизи температур образования гидридной фазы Tf. На первый взгляд, основной причиной возникающих деформаций является различие в удельных объемах гидридной и матричной фаз, а также ориентация тетрагональной оси ги-дридных частиц, согласованная с приложенной нагрузкой. Как только образец заданного состава охладится до температуры Г/, начинается формирование гидрида в «преимущественных» по отношению к внешней нагрузке направлениях. Появление микрообъемов с отличной от матрицы, большей постоянной решетки приводит к макроскопической деформации, тем большей, чем выше объемная доля и степень тетрагональное™ новой фазы. Тогда внешнее поле напряжений никоим образом не должно влиять на развитие эффектов. Однако это не так. При неизменном составе сплава, изменение величины внешнего поля напряжений сдвигает по температурной шкале точку начала деформации. Кроме того, наличие в таких системах эффектов памяти формы, или, иначе говоря, многократной обратимости деформации в циклах нагрев - охлаждение, должно свидетельствовать об ориентационном механизме взаимодействия гидридных включений друг с другом и с внешним полем.

Эксперименты, выполненные на сплавах Zr-H, показали, что изменение ориентации гидрида требует весьма значительной выдержки при повышенных температурах под нагрузкой (не менее трех часов). Поскольку в действительности начало деформации последействия наблюдается практически без запаздывания (время релаксации порядка секунды) и даже задолго до температуры выделения гидрида, то гипотеза о гидридной переориентации представляется нам несостоятельной.

В процессе образования гидридной или /3-фазы в разбавленных твердых растворах металл — водород сначала должны возникать участки с высокой локальной концентрацией атомов водорода. Такое состояние явным образом присутствует на фазовой диаграмме КЪ-Н (рис. 1) и соответствует хорошо выраженной области спинодального распада, при котором происходит расслоение однородного твердого раствора на обедненный водородом а-твердый раствор и обогащенную водородом а'-фазу. Включения с/-фазы имеют когерентные границы и неупорядоченную по водороду структуру, поэтому могут легко менять ориентацию. Диффузионная подвижность водорода чрезвычайно высока. При комнатных температурах коэффициент диффузии В водорода в У, КЬ, Та имеет порядок Ю-9 — Ю-10 м2с-1. Значит диффузионные процессы «перестройки» кластера из одного положения в другое пройдут достаточно быстро (характерные времена г ~ 12/Ю = (10-6)2/1СГ3 - Ю-10 - 10"3 - Ю-2 с, где размер кластера I имеет порядок 1 мкм).

Приложение внешней закручивающей силы вызывает напряженное состояние образца, что приводит к локальному перераспределению атомов водорода. Поскольку деформации при охлаждении начинают наблюдаться задолго до Т/, то можно говорить именно о перегруппировке атомов водорода внутри включения новой фазы или кластерной перестройке, причем перестройке морфологической, но не структурной. Полагая неизменным размер кластеров и их количество в единице объема, будем подразумевать под морфологическими изменениями переориентацию включений а/-фазы под действием температуры и

т,"с

Рис. 1. Диаграмма состояния сплава ниобий — водород

внешних сил. Таким образом, последовательность возникновения фаз при охлаждении может быть описана следующей схемой

а—> а + а' а + а'/¡5 а 4-/3.

Символика а'/Р означает, что /3-фаза образуется на своей «предшественнице» о'-фаз е.

Далее отметим, что морфологические изменения приводят к деформации кручеиия — деформации в одном, определенном направлении, поэтому включения а'-фазы также должны иметь выделенное направление, т.е. быть анизометричными.

Обобщая все вышесказанное, заключаем, что наиболее вероятным механизмом возникновения деформации последействия насыщенных водородом образцов в поле внешних сил является механизм ориентаци-онного упорядочения анизотропных объектов, представляющих собой микрообласти с повышенной концентрацией атомов водорода.

Для расчета макроскопических деформаций двухфазных сплавов металл - водород, обусловленных ориенгационным упорядочением анизотропных включений а-'-фазы, воспользуемся моделью, используемой для описания ориентационных фазовых переходов в жидких кристаллах (Де Жен, Чапдрасскар) и цематичсских полимерах (Шлио-мис, Райхер). Приведем основные положения модели, имея в виду, что состав сплава фиксирован, а значит в системе содержится определенное число водородных кластеров, а также учитывая, что действие закручивающих сил приводит к двуосности среды. Ориентацию отдельного кластера будем характеризовать микроскопическим тензором ориентации зц. = — 1/34*) (где V — единичный вектор вдоль длинной оси кластера), а ориентационное состояние образца в целом — макроскопическим тензором ориентации т^, являющимся средним по ансамблю от микроскопической величины

Шк = {«а*)- (1)

Усреднение по Гиббсу проводится по всем ориентациям кластера с равновесной функцией распределения

Выражение для ориентационкой энергии кластера Е в приближении парного взаимодействия и самосогласованного поля примет следующий вид:

где Л — константа среднего поля, характеризующая энергию взаимодействия отдельного кластера со всеми остальными, 7— отклик системы кластеров на приложенное поле, о-;*, — тензор напряжений кручения. Зависимость скалярных параметров порядка Д и С} (Д2+<32 = гЦк) от температуры и напряжений определяется из уравнений самосогласования, получаемых при покомпонентной записи (1):

Я = ! <соз2 в) - Ь б? = ^ (ет2 0 со* 2<р) , (4)

где 9, <р — углы, задающие ориентацию кластера в системе главных осей тензоров напряжений и ориентация.

Далее, воспользовавшись выражением для термодинамического потенциала Гиббса Ф = Р — сг^щь, найдем выражение для тензора деформации иц. — —ЗФ/Зст,^. = + п-ущъ и относительную величину компоненты деформации, касательной к боковой поверхности цилиндрического образца

" = 72 ~ + + + - Л/>/3) - 2] . (5)

Здесь п — число кластеров в единице объема. Таким образом, отыскав зависимость параметров порядка от температуры и напряжений, можно рассчитать величину исследуемого эффекта.

Результаты расчета приведены на рис. 2, 3. По оси абсцисс отложена безразмерная температура т = кдТ/Х] безразмерное напряжение П определено как цдг^/Х. Из рисунков видно, что при температуре тс = 0.22, даже в отсутствие внешнего ориентирующего поля, возникает самопроизвольная деформация, увеличивающаяся по мере понижения температуры — твист-эффект. Наличие такого эффекта является естественным следствием модели, что в определенной мере указывает на ее адекватность.

Приложение внешнего поля по-разному изменяет возможные равновесные ориентации системы кластеров — анизотропия одних состояний повышается, других понижается. Во внешнем поле напряжений устойчивыми будут решения, уменьшающие ориентационную часть свободной энергии системы. Минимальной энергией при данной температуре обладает максимально упорядоченная структура, следовательно, если напряжения кручения приводят к возрастанию достигнутой степени упорядочения, то данные состояния окажутся преимущественными, а соответствующие ориентации кластеров — выгодными. При очень малых напряжениях (см. рис. 3, кривые 2,3) возможен ориентационный

Рис. 2. Зависимость относительной деформации от температуры при П = О (кривые 0, 0', 0") и П = 0.15 (кривые 1-6)

Рис. 3. Зависимость относительной деформации от температуры при разных напряжениях кручения П для устойчивых ветвей

фазовый переход только при температурах Т <ТС, в противном случае (Т > Тс) система находится в неупорядоченном состоянии. При дальнейшем увеличении напряжения (см. рис. 3, кривые 4-6) фазовый переход исчезает, т.к. параметры порядка, а значит и деформация, становятся однозначной функцией напряжения. Следовательно, мы можем говорить о критическом поле в следующем смысле. Если наша система подвергается действию механических напряжений, меньших критического, то деформации будут наблюдаться только при достаточно низких температурах (т < гс). При температурах т > гс никаких эффектов нет, т.к. кластеры ориентационно разупорядочены. При напряжениях, больших критического, деформационные эффекты должны фиксироваться при всех температурах. Таким образом, действие нарастающих напряжений кручения на выгодные состояния сводится к тому, что точка перехода смещается в область более высоких температур, стремясь к бесконечности в пределе больших П. Это означает, что при любых реальных температурах, ограниченных областью двухфазности, кластеры вынуждены ориентироваться в выгодном направлении.

Модель описывает эффекты пластичности превращения, памяти формы, деформации ориентированного превращения. Действительно, охлаждение системы под нагрузкой (П ф 0) приводит к заметной деформации кручения (рис. 3, крйвые 4-6) при т, близких к тс. Последующий нагрев возвращает накопленную деформацию. Кроме того, если

после охлаждения нагруженного образца до температур г < тс нагрузку удалить (переход с кривых 4-6 на кривую 1, рис. 3) и продолжить охлаждение, то образец продолжит деформироваться в прежнем направлении.

В третьей главе дано краткое описание особенностей поведения сплавов в процессе насыщения водородом. Предложена концентрационная зависимость констант среднего поля, на основе модели ориента-ционного упорядочения выполнен расчет деформационного отклика в изотермических условиях в зависимости от приложенных напряжений и степени насыщения образца водородом. Проведен расчет атомного состава сплава в зависимости от времени насыщения водородом. Выполнено сопоставление экспериментальных и расчетных данных.

Основу главы составляют следующие физические предположения. В двухфазной области фазовой диаграммы при заданной температуре повышение концентрации водорода в сплаве приводит к увеличению объемной доли новой фазы (в нашем случае это а'-фаза). Такой процесс может происходить либо путем роста уже сформировавшихся включений, либо путем образования новых. В данном случае распад однородного твердого раствора металл — водород происходит по спинодальному, или непрерывному механизм}', без образования зародышей критического размера, поэтому и тот, и другой способ возможны, и, вероятно, каждый из них реализуется. Формализуя процесс распада, назовем водородным кластером физический микрообъем минимального размера, обладающий структурой и свойствами а'-фазы. Выделения а'-фазы большего объема будем считать состоящими из нескольких кластеров. При таком способе описания с повышением концентрации атомов водорода будет увеличиваться только число водородных кластеров в единице объема, при фиксированном размере кластера.

Тогда, в образце заданного объема при заданной температуре увеличение числа кластеров приводит к росту энергии взаимодействия отдельного кластера со всеми остальными, т.е. к увеличению параметра А. Действительно, обратимся к определению константы среднего поля А в приближении парного взаимодействия. Энергия ориентацион-ного взаимодействия двух кластеров с номерами а и (}, ориентация которых задана тензорами и з^, есть

к, Ю4

Рис. 4. Зависимость деформации образца и от коццептрадии кластеров с при температуре г = 0.08 для различных значений напряжения П (модель (8))

и. 10"*

Рис. 5. Зависимость деформации образца и от концентрации кластеров с при температуре г = 0.08 для различных значений напряжения П (модель (9))

рис. 4 и 5 соответственно. По оси абсцисс отложена безразмерная концентрация кластеров с = ап. В обеих моделях в отсутствие напряжений (П = 0) кластерное ориентационное упорядочение, а значит и наблюдаемые деформационные эффекты, возможны только при достижении некоторой критической концентрации скр. Величина скр зависит от температуры. Чем ниже температура, тем меньше величина пороговой концентрации водородных кластеров. Так, при температуре т = 0.12 самопроизвольная деформация сплава должна фиксироваться в интервале концентраций с > 0.77, при т = 0.08 — в интервале с > 0.63. Даже небольшие изменения концентрации кластеров приводят к быстрому нарастанию деформации. Приближение с к единице, соответствующее приближению к однородному «'-состоянию сплава, дает снижение темпов роста деформации. По аналогии с обычным твист-эффектом данный эффект можно назвать концентрационным твист-эффектом. Подчеркнем, что эксперименты, в которых металлические образцы в отсутствие внешней нагрузки насыщались водородом в изотермических условиях, до сих пор не были осуществлены. Однако, исходя из общих принципов формирования кластерной, а затем и гидридной фаз под действием двух управляющих параметров — температуры и состава, можно говорить о возможности наблюдения такого эффекта.

Каждая из предложенных моделей описывает концентрационный эффект пластичности превращения: при насыщении под нагрузкой металлического образца водородом до концентраций, соответствующих концентрациям кластеров, большим скр, образец некоторым образом деформируется. Если нагрузку снять, то накопленная деформация полностью не возвратится, т.е. образец останется пластически деформированным. Кроме того, каждая из предложенных моделей воспроизводит концентрационный эффект деформации ориентированного превращения. Действительно, увеличение концентрации кластеров в нагруженном образце приводит к некоторой деформации сплава. Разгрузка образца возвращает накопленную деформацию либо полностью, если в нагруженном состоянии не достигнута концентрация водорода, соответствующая скр, либо частично, если с > скр и происходит переход с кривой П ф 0 на предельную кривую П = 0. Последующее насыщение образца водородом приводит к развитию деформационных эффектов, описываемых кривой П = 0. В заключение отметим, что если в системе возможно ориентационное упорядочение, то обнаружение эффекта деформации ориентированного превращения должно служить необходимым доказательством в пользу существования в ней и твист-эффекта.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Впервые предложено физическое описание эффектов механического последействия, наблюдаемых в сплавах постоянного состава при изменении температуры, и их концентрационных аналогов, наблюдаемых в изотермических условиях при насыщении образ. цов водородом.

Его суть состоит в ориентационном упорядочении анизотропных объектов, представляющих собой микрообласти с повышенной концентрацией водорода.

2. На основе модели ориентационного упорядочения, впервые предложена методика расчета механического последействия в зависимости от температуры, химического состава и величины приложенных напряжений.

3. В рамках предложенной модели воспроизведены все наблюдаемые эффекты: твист-эффект, эффект пластичности превращения, эффект памяти формы, эффект деформации ориентированного превращения в сплавах постоянного состава.

4. Впервые предложена феноменологическая модель эффектов пластичности превращения и деформации ориентированного превращения, наблюдаемых при изменении концентрации водорода.

5. Предсказан концентрационный твист-эффекта в процессах изменения концентрации водорода в двухфазных сплавах.

1. Пещеренко М.П., Спивак Л.В. Ориентационно-упругие эффекты в системах металл — водород.// Вестник Пермского университета, 1999, вып.5, с.26-29.

2. Пещеренко М.П., Спивак Л. В. Особенности ориентационного поведения двухфазных систем металл — водород в области спино-дального распада.// Вестник ПГТУ. Проблемы соврехменных материалов и технологий, 1999, 4, с.179-186.

3. Пещеренко М.П., Список Л.В. Моделирование концентрационной зависимости деформационного отклика двухфазных сплавов металл — водород.// Тезисы докладов на XV уральской школе металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов», г.Екатеринбург, 14-18 февраля 2000 г., с. 110.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

Подписано в печать 2Ь.о5. оо формат 60x84 1/16. Печать офсетная. Усл.печ.л. 0}ь>Ъ .Тираж 100 экз.Заказ 2Ъ&.

614600, гЛермь, ул.Букирева, 15. Типография Пермского университета.

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Пещеренко, Марина Петровна

Введение

1 Эффекты механического последействия в системах металл V группы — водород

1.1 Термодинамика и кинетика растворения водорода в металле.

1.2 Спинодальный распад однородного твердого раствора металл — водород.

1.3 Твист-эффект, эффекты пластичности превращения, памяти формы и деформации ориентированного превращения .V . . ." V.

1.4 Постановка задачи.

2 Зависимость величины механического последействия от температуры и напряжений в сплавах постоянного состава

2.1 Обоснование гипотезы о механизме кластерного упорядочения

2.2 Модель ориентационного упорядочения.

2.3 Расчет макроскопической деформации образца в зависимости от температуры и напряжений.

Выводы.

3 Механическое последействие в сплавах переменного состава

3.1 Концентрационные эффекты в сплавах металл V группы — водород

3.2 Построение концентрационной зависимости констант среднего поля.

Введение диссертация по физике, на тему "Эффекты ориентационного упорядочения в двухфазных сплавах металл V группы - водород"

Проблема взаимодействия водорода с металлами более 150 лет привлекает внимание исследователей. Объем журнальных публикаций по различным аспектам данной проблемы постоянно растет. Как в России, так и за рубежом появляются многочисленные монографии и обзоры [1]—[10]. В них затрагиваются фундаментальные вопросы состояния водорода в металлах, механизма аномально высокой диффузионной подвижности водорода в металлах, последствия неизбежного и во многих случаях нежелательного присутствия водорода в конструкционных материалах. Однако, в последнее время было показано, что присутствие водорода в металлах может также и благотворно сказываться на ряде технологических или эксплуатационных свойств сплавов. Это обстоятельство заставило изменить преобладающий односторонний взгляд на механические аспекты взаимодействия водорода с металлами.

Исследования в обоих направлениях ведутся весьма активно. В частности, накоплен обширный экспериментальный материал о поведении сплавов металл V группы — водород при механических воздействиях. В рамках первого подхода открыты: твист-эффект, эффект пластичности превращения, памяти формы, деформации ориентированного превращения, наблюдаемые при фиксированном составе сплавов. Позднее также были открыты их концентрационные аналоги, наблюдаемые при «динамическом» насыщении образцов в рамках второго подхода.

Эти события породили проблему объяснения обнаруженных эффектов с единых позиций, поскольку логичным было бы считать, что в их основе лежит деформационное взаимодействие атомов водорода друг с другом, порождающее макроскопические деформационные эффекты. Встал вопрос о более тщательном теоретическом исследовании природы этих явлений, до сих пор не получивший должного освещения в научной литературе. Таким образом, целью данной работы явилась попытка найти решение поставленной проблемы.

Цель работы состоит в построении гипотезы о механизме обнаруженных эффектов, создании на ее основе теоретической модели и соответствующей методики расчета механического последействия в зависимости от температуры, химического состава сплава и величины приложенной нагрузки.

Научная новизна результатов. Автором диссертации выполнено систематическое исследование природы эффектов пластичности превращения, памяти формы, деформации ориентированного превращения и твист-эффекта. Впервые предложено физическое описание механизма данных эффектов. Построена адекватная математическая модель, описывающая все деформационные эффекты при изменении температуры и внешней силы для сплавов постоянного состава, а также для сплавов, состав которых изменяется в процессе эксперимента. Выполнены расчеты деформационного отклика двухфазных сплавов постоянного состава в зависимости от температуры и напряжений; сплавов переменного состава в зависимости от напряжений и концентрации водорода в металле при изотермических испытаниях. Предсказана возможность наблюдения в исследуемых системах концентрационного твист-эффекта, заключающегося в самопроизвольной деформации образца ненагруженного сплава при достижении в нем критического значения атомного состава.

На защиту выносятся следующие научные результаты:

1. Гипотеза о кластерном упорядочении в двухфазных сплавах металл — водород при температурных, механических воздействиях, а также при изменении состава сплава.

3. Результаты расчетов деформационного отклика при изотермическом нагружении сплавов переменного состава.

4. Теоретический вывод о наличии концентрационного твист-эффекта.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы.

Заключение диссертации по теме "Физика конденсированного состояния"

Выводы

1. Предложены феноменологические зависимости констант среднего поля Л и 7 от концентрации структурных единиц в системе: прямо пропорциональная зависимость для Л, имеющей смысл энергии взаимодействия отдельного кластера со всеми остальными, а также обратно пропорциональная и экспоненциально убывающая зависимости для 7, имеющей смысл энергии взаимодействия отдельного кластера с внешним полем.

2. Вычислен деформационный отклик двухфазных сплавов с различным составом для двух предложенных моделей.

3. Показана возможность наблюдения в изучаемых системах концентрационного твист-эффекта, заключающегося в самопроизвольной деформации образца ненагруженного сплава при достижении в нем критической концентрации кластеров, или критического значения атомного состава.

4. Получено качественное соответствие результатов расчета и данных эксперимента при больших значениях концентрации кластеров в обеих моделях, а также при малых концентрациях в модели экспоненциально убывающего взаимодействия кластера с внешним полем. Каждая из моделей воспроизводит концентрационный эффект пластичности превращения и концентрационный эффект деформации ориентированного превращения.

Заключение

Итак, обобщая результаты, полученные в данной диссертационной работе, можно сделать следующие выводы.

Его суть состоит в ориентационном упорядочении гидридных частиц еще на стадии кластеризации, когда однородный твердый раствор распадается на две фазы, различающиеся только составом, но не структурой.

2. На основе модели ориентационного упорядочения, предложена методика расчета механического последействия в зависимости от температуры, химического состава и величины приложенных напряжений.

4. Предложена феноменологическая модель эффектов пластичности превращения и деформации ориентированного превращения, наблюдаемых при изменении концентрации водорода.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Пещеренко, Марина Петровна, Пермь

1. Галактионова H.A. Водород в металлах. М.: РКТИ ЧМ-СМ, 1959. 256 с.

2. КарпенкоГ.В., Крипякевич Р. И. Влияние водорода на свойства стали. М.: Металлургиздат, 1962. 198 с.

3. Smialowski М. Hydrogen in steel. Oxford. Pergamon Press. 1962. 452 p.

4. Коттерилл П. Водородная хрупкость металлов. М.: Металлургиздат, 1963. 452 с.

5. Мороз JI.C., Чечулин Б. Б. Водородная хрупкость металлов. М.: Металлургия, 1967. 255 с.

6. Колачев Б.А. Водородная хрупкость цветных металлов. М.: Металлургия, 1968. 256 с.

7. Гельд П.В., Рябов P.A. Водород в металлах и сплавах. М.: Металлургия, 1974. 272 с.

8. Hydrogen degradation of ferrous alloys./ Edit, by Oriani A, Hirth J.P., Smialowski M. Noyes. Publication USA, 1985. 8732 p.

9. Гельд П.В., Рябов P.A., Мохрачева JI.П. Водород и физические свойства металлов и сплавов. М.: Наука, 1985. 232 с.

10. Взаимодействие водорода с металлами / Под. ред. Захарова А.П. М.: Наука, 1987. 296 с.

11. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Статистическая физика. М: Наука, 1976. 584 с.

12. Адамсон А. Физическая химия поверхностей. М: 1979. 350 с.

13. Люпис К. Химическая термодинамика материалов. М: Металлургия. 1989. 502 с.

14. Колачев В. А. Водородная хрупкость металлов. М: Металлургия. 1985. 217 с.

15. Максимов Е.Г., Панкратов O.A. Водород в металлах// Успехи физических наук. 1975. Т. 116. Вып. 3. С.385-412.

16. Бокштейн B.C. Диффузия в металлах. М:Металлургия. 1978. 248 с.

17. Фелъклъ И., Алефелъд Г. Диффузия водорода в металлах. В кн. Водород в металлах. Т. 1. Основные свойства./Под ред. Але-фельда Г. и Фелькля И. М: Мир. 1981. С.379-408.

18. Ашкрофт Н., Мермин Н. Физика твердого тела. Т. 1. М: Мир. 1979. 399 с.

19. Fukai Y., Sugimoto Н. Diffusion of hidrogen in metals// Adv. Phys. 1985. V. 34. 2. P. 263-324.

20. Kirchheim R. Solibility, diffusivity and trapping of hydrogen in dilute alloys, deformed and amorphous metals// Acta Met. 1982. V. 30. 6. P. 1069-1078.

21. Боровский И.В., Гуров К.П., Марчукова И.Д., Угасте Ю.З. Процессы взаимной диффузии в сплавах. М: Наука, 1973. 359 с.

22. Катлинский В.М. Некоторые закономерности и параметры процесса диффузии водорода в десяти переходных металлах/ /Изв. АН СССР. Неорганические материалы. 1978. Т. 14. N 9. С. 1667-1673.

23. Кондратьев В.В., Волошинский А.Н., Обухов А.Г. Коэффициенты диффузии водорода в неупорядоченных бинарных сплавах// Физика металлов и металловедение. 1996. Т. 81. Вып. 2. С. 15-25.

24. Волошинский А.Н., Кондратьев В.В., Обухов А.Г., Тимофеев Н.И. Коэффициент диффузии водорода в двойных и тройных сплавах// Физика металлов и металловедение. 1998. Т. 85. Вып. 3. С. 125-133.

25. Кондратьев В.В., Гапонцев A.B. К теории диффузии водорода в аморфных металлах и сплавах//Физика металлов и металловедение. 1999. Т. 87. N 5. С. 5-11.

26. Смирнов A.A. Теория сплавов внедрения. М: Наука. 1979. 365 с.

27. Гуров К.П., Карташкин В.А., Угасте Ю.З. Взаимная диффузия в многофазных металлических системах. М: Наука. 1981. 350 с.

28. Гуров К. П. Феноменологическая термодинамика необратимых процессов. М: Наука. 1987. 128 с.

29. Хирт Дою, Лоте И. Теория дислокаций. М: Атомиздат, 1972. 599 с.

30. Соменков В.А., Гурская A.B., Земляков М.Г. и др. Изучение структуры и фазовых переходов в гидридах и дейтеридах тантала с помощью рассеяния нейтронов// Физика твердого тела. 1968. Т. 10. С. 2697-2703.

31. Соменков В.А., Петрунин В.Ф., Шильштейн С.Ш. и др. Ней-тронографическое изучение распада и упорядочения в системе ниобий — водород// Кристаллография. 1969. Т. 14. С. 617-624.

32. Петрунин В.Ф., Соменков В.А., Шильштейн С.Ш. и др. О структуре Ta2D// Кристаллография. 1970. Т.15. С. 171-176.

33. Петрунин В.Ф., Соменков В.А., Шилъштейн С.Ш. и др. Распад и упорядочение в системе Ta-D// Физика металлов и металловедение. 1970. Т. 29. С. 530-536.

34. Червяков А.Ю., Энтин И.Р., Соменков В.А. и др. Переход порядок — беспорядок в VDo.s// Физика твердого тела. 1971. Т. 13. С. 2587-2592.

35. Соменков В.А., Энтин И.Р., Червяков А.Ю. и др. Необычный фазовый переход в дейтериде ванадия V2D// Физика твердого тела. 1971. Т. 13. С. 2595-2601.

36. Кривоглаз М.А. Растворимость в упорядочивающихся сплавах. I.// Журнал технической физики. 1954. Т. 24. Вып. 6. С. 10771089.

37. Матысина З.А. Теория растворимости примесей в упорядоченных фазах. Днепропетровск: Изд-во ДГУ. 1991. 177 с.

38. Матысина З.А. Зависимость от давления растворимости примесей внедрения в металлах и сплавах// Журнал физичнской химии. 1996. Т. 70. N 5 С. 933-935.

39. Машаров С.И., Рыбалко А. Ф., Сафаров Д. А. О возможных аномалиях растворимости газов в металлах// Физика металлов и металловедение. 1991. N 9. С. 197-199.

40. Машаров С.И., Машарова В.А. Общий анализ уравнений растворимости газов в кристаллах// Известия высших учебных заведений. Физика. 1996. N 4. С.83-89.

41. Wastlake D.G. Hydrogen embrittlement: resistometric study of Nb-H2 alloys// Trans. TMS-ASME. 1969. V. 245. P. 287.

42. Sasaki Y., Matsumoto Т. Effect of plastic deformation on electric resistance of Nb-H alloy. Jap. J. Appl. Phys. 1972. V. 11. P. 617620.

43. Ивашина Ю.К., Ивашина Г.А., Немченко В.Ф. и др. Влияние пластической деформации на растворимость водорода в тантале// Журнал физической химии. 1980. Т. 54. N 11. С. 28272830.

44. Гельд П.В., Рябое Р.А., Кодес Е.С. Водород и несовершенства структуры металла. М: Металлургия. 1979. 220 с.

45. Ефименко С.П., Нечаев Ю.С., Карелин Ф.З. и др. О механизмах влияния термоводородной обработки на свойства переходных металлов и сплавов// Физика и химия обработки материалов. 1997. N 5. С. 101-108.

46. Owen С. V., Sherman D.H., Scott Т.Е. On mechanical properties of Pd-H alloys. Trans. TSM-AIME. 1967. V. 229. P. 1666

47. Гольцов В.А., Деканенко B.M., Власенко H.H. и др. Упрочнение и фазово-структурная перестройка ниобия при водородо-фазовом наклепе. ДАН УССР. Сер. А: Физ.-мат. и техн. науки. 1988. N 1. С.81-83.

48. Федоров В. В. Ускорение диффузионных процессов в системе металл-водород и его использование в термической обработке конструкционных материалов. Автореферат на соискание ученой степени доктора технических наук. М: ИМЕТ. 1992.

49. Матысина З.А. Растворимость в упорядочивающихся сплавах// Известия вузов. Физика. 1976. N 8. С. 52-63.

50. Хачатурян А.Г. Теория фазовых превращений и структура твердых растворов. М: Наука. 1974. 384 с.

51. Owen С. VScott Т.Е. Relation between hydrogen embrittlement and the formation of hydride in the group V transition metals// Met. Trans. 1972. 3. N 6. P.1715-1726

52. Shibata K., Koiwa M., Yoshinari 0. On the original of the ce-peak in vanadium// Trans. Jap. Inst. Metals. 1978. 19. P. 491-492.

53. Koiwa M., Shibata K., Yoshinari 0. The effect of hydrogen on the internal friction of deformed vanadium// Trans. Jap. Inst. Metals. 1980. 21. N 4. P. 191-200.

54. Ferron G., Quintard M. A twisting-effect in vanadium — hydrogen alloys// Scr. Met. 1979. 13. N 10. P. 923-926.

55. Koiwa M., Yoshinari O. Twist effect of V-H, Nb-H and Ta-H alloys associated with the precipitation of hydrides// Acta metal. 1983. 31. N 12. P. 2073-2081.

56. Koiwa M., Yoshinari 0. Hydride precipitation peak in internal friction of V-H, Nb-H and Ta-H alloys// Res. Mech. 1984. 11. N 1. P. 27-45.

57. Лихачев В.А., Кузьмин С.Л., Каменцева З.П. Эффект памяти формы. Л.: ЛГУ, 1987. 216с.

58. Лихачев В.А., Патрикеев Ю.И., Шулепов В.Н. Эффект ориентированного превращения в никелиде титана// Физика металлов и металловедение. 1986. 61, N 1. С. 121-126.

59. Лихачев В.А. Эффекты памяти формы. Проблемы и перспективы// Известия вузов. Физика. 1985. N 5. С. 5-20.

60. Оуэн В.// Эффект памяти формы в сплавах. М.: Металлургия,1979. С. 281-285.

61. Андронов И.Н., Кузьмин С.Л., Лихачев В.А. Металлофизика. 1984. 6, N 3. С.44-47.

62. Бушнев Л.С., Тюменцев А.Н., Тюменцева С.Ф. Эффект памяти формы в наводороженном ванадиевом сплаве// Известия вузов. Физика. 1980. N 9. С.111-113.

63. Бушнев Л. С., Китаева Л.П. Исследование эффекта памяти формы в системе ванадий — водород// Известия вузов. Физика. 1982. 22, N 8. С.38-42.

64. Бушнев Л.С., Афонина Н.М.Деформация сплавов системы ванадий — водород в области а -н- ¡3 превращения// Известия вузов. Физика. 1984. 27, 1. С.115-116.

65. Ивашина Ю.К., Немченко В.Ф., Смолин М.Д., Шевченко А.Д. Влияние водорода и пластической деформации на некоторые свойства наводороженного тантала// ДАН УССР. С.А. 1980. N 3. С. 77-81.

66. Ивашина Ю.К., Немченко В.Ф., Смолин М.Д. О мартенсит-ном характере фазового превращения в системе Та-Н// ДАН УССР. С.А. 1980. N 6. С. 85-88.

67. Ивашина Ю.К., Ивашина Г.А., Немченко В.Ф., Смолин М.Д., Змиевская Л.В.Влияние пластической деформации на растворимость водорода в тантале// Журнал физической химии.1980. с, N 11. С. 2827-2830.

68. Спивак Л.В., Скрябина Н.Е., Кац М.Я. Водород и механическое последействие в металлах и сплавах. Пермь. Издательство Пермского университета. 1993. 343с.

69. Гуляев А.П. Металловедение. M: Металлургия. 1977. 646с.

70. Де Жен П. Физика жидких кристаллов. М.: Мир, 1977, 400 с.

71. Чандрасекар С. Жидкие кристаллы. М.: Мир, 1980, 344 с.

72. Шлиомис М.И., Райхер Ю.Л. Ориентационное упорядочение и механические свойства твердых полимеров// Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1978. Т. 74. Вып. 5. С. 1760-1783.

73. Захлевных А.Н. Влияние сдвиговых напряжений на ориентаци-онную анизотропию нематических полимеров // Структурные превращения в полимерах и жидких кристаллах/ Свердловск: УНЦ АН СССР. 1981.С. 80-86.

74. Ландау Л Д., Лифшиц Е.М. Теория упругости. М: Наука. 1987. 246с.

75. Mayer W., Saupe A. Zs.Naturforsch., 13а, 564, 1958; 14а, 882, 1959.

76. Гегузин Я.Е. Диффузионная зона. М: Наука, 1979. 343 с.