Вплив водню на фазовий склад та фізико-механічні властивості конструкційних матеріалів

Проаналізовані результати досліджень впливу водню на процеси фазоутворення в конструкційних матеріалах. На основі вивчення самодифузії, взаємодифузії і атомного впорядкування у наводненому нікелі та сплавах систем Fe–Ni, Ni–Mo, Ni–Mo–Rе виявлено, що водень пришвидшує ці процеси, збільшуючи ступінь а...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2010
1. Verfasser:	Федоров, В.В.
Format:	Artikel
Sprache:	Ukrainian
Veröffentlicht:	Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України 2010
Schriftenreihe:	Фізико-хімічна механіка матеріалів
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/31764
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Вплив водню на фазовий склад та фізико-механічні властивості конструкційних матеріалів / В.В. Федоров // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2010. — Т. 46, № 2. — С. 67-76. — Бібліогр.: 15 назв. — укp.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-31764
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-317642012-03-18T12:21:32Z Вплив водню на фазовий склад та фізико-механічні властивості конструкційних матеріалів Федоров, В.В. Проаналізовані результати досліджень впливу водню на процеси фазоутворення в конструкційних матеріалах. На основі вивчення самодифузії, взаємодифузії і атомного впорядкування у наводненому нікелі та сплавах систем Fe–Ni, Ni–Mo, Ni–Mo–Rе виявлено, що водень пришвидшує ці процеси, збільшуючи ступінь атомного порядку і знижуючи критичні температури утворення-розпаду інтерметалічних фаз. На прикладі цих сплавів та сталі ВХ-4A показано можливості застосування отриманих результатів для поліпшення їх фізико-механічних властивостей. Проанализированы результаты исследования влияния водорода на фазообразование в конструкционных материалах. Установлено, что водород ускоряет самодиффузию, взаимодиффузию и атомное упорядочение в наводороженном Ni и сплавах систем Fe−Ni, Ni−Mo, Ni−Mo−Rе, увеличивая степень атомного порядка и уменьшая критические температуры образования-распада интерметаллических фаз. На примере изученных сплавов и стали ВХ-4А показаны возможности применения полученных результатов для улучшения их физико-механических свойств. The results of inveatigation of the influence of hydrogen on processes of the phase formation in structural materials have been analyzed. On the basis of study of self-diffusion, mutual diffusion and atomic ordering in hydrogenated Ni and Fe−Ni, Ni−Mo, Ni−Mo−Rе alloys, it has been shown that hydrogen accelerates these processes, increasing the level of atomic ordering and decreases critical temperatures of intermetallic phases formation and decomposition. The applicability of the obtained results for the improvement of physicomechanical properties has been shown by examples of these alloys and ВХ-4A steel. 2010 Article Вплив водню на фазовий склад та фізико-механічні властивості конструкційних матеріалів / В.В. Федоров // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2010. — Т. 46, № 2. — С. 67-76. — Бібліогр.: 15 назв. — укp. 0430-6252 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/31764 669.788 uk Фізико-хімічна механіка матеріалів Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
description	Проаналізовані результати досліджень впливу водню на процеси фазоутворення в конструкційних матеріалах. На основі вивчення самодифузії, взаємодифузії і атомного впорядкування у наводненому нікелі та сплавах систем Fe–Ni, Ni–Mo, Ni–Mo–Rе виявлено, що водень пришвидшує ці процеси, збільшуючи ступінь атомного порядку і знижуючи критичні температури утворення-розпаду інтерметалічних фаз. На прикладі цих сплавів та сталі ВХ-4A показано можливості застосування отриманих результатів для поліпшення їх фізико-механічних властивостей.
format	Article
author	Федоров, В.В.
spellingShingle	Федоров, В.В. Вплив водню на фазовий склад та фізико-механічні властивості конструкційних матеріалів Фізико-хімічна механіка матеріалів
author_facet	Федоров, В.В.
author_sort	Федоров, В.В.
title	Вплив водню на фазовий склад та фізико-механічні властивості конструкційних матеріалів
title_short	Вплив водню на фазовий склад та фізико-механічні властивості конструкційних матеріалів
title_full	Вплив водню на фазовий склад та фізико-механічні властивості конструкційних матеріалів
title_fullStr	Вплив водню на фазовий склад та фізико-механічні властивості конструкційних матеріалів
title_full_unstemmed	Вплив водню на фазовий склад та фізико-механічні властивості конструкційних матеріалів
title_sort	вплив водню на фазовий склад та фізико-механічні властивості конструкційних матеріалів
publisher	Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України
publishDate	2010
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/31764
citation_txt	Вплив водню на фазовий склад та фізико-механічні властивості конструкційних матеріалів / В.В. Федоров // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2010. — Т. 46, № 2. — С. 67-76. — Бібліогр.: 15 назв. — укp.
series	Фізико-хімічна механіка матеріалів
work_keys_str_mv	AT fedorovvv vplivvodnûnafazovijskladtafízikomehaníčnívlastivostíkonstrukcíjnihmateríalív
first_indexed	2025-07-03T12:13:32Z
last_indexed	2025-07-03T12:13:32Z
_version_	1836627853970505728
fulltext	67 Ô³çèêî-õ³ì³÷íà ìåõàí³êà ìàòåð³àë³â. – 2010. – ¹ 2. – Physicochemical Mechanics of Materials УДК 669.788 ВПЛИВ ВОДНЮ НА ФАЗОВИЙ СКЛАД ТА ФІЗИКО-МЕХАНІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ КОНСТРУКЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ В. В. ФЕДОРОВ Фізико-механічний інститут ім. Г. В. Карпенка НАН України, Львів Проаналізовані результати досліджень впливу водню на процеси фазоутворення в конструкційних матеріалах. На основі вивчення самодифузії, взаємодифузії і атом- ного впорядкування у наводненому нікелі та сплавах систем Fe–Ni, Ni–Mo, Ni–Mo–Rе виявлено, що водень пришвидшує ці процеси, збільшуючи ступінь атомного поряд- ку і знижуючи критичні температури утворення-розпаду інтерметалічних фаз. На прикладі цих сплавів та сталі ВХ-4A показано можливості застосування отриманих результатів для поліпшення їх фізико-механічних властивостей. Ключові слова: водень, дифузія, вакансія, сплав, атомне впорядкування, фазові перетворення, термічна обробка. Наводнювання впливає на фізико-механічні властивості конструкційних матеріалів, викликаючи водневе окрихчення, яке проявляється у різкому погір- шенні пластичних властивостей сталі і залежить від її хімічного складу, струк- тури, концентрації водню та температури експлуатації [1–3]. Існує кілька моде- лей водневого окрихчення, зумовленого цими чинниками [4]. Однак, як писав академік Г. В. Карпенко [1], “…тільки при взаємодії агресивного середовища з великими об’ємами металу проявляється його вплив на міцність, витривалість і пластичність. Тому особливого значення набуває вивчення дефектності струк- тури (межі зерен, неметалеві включення, інтерметалічні фази)”. Ці дефекти є місцями найбільшої концентрації напружень внаслідок високого локального вмісту в них водню і блокують переміщення дислокацій, впливаючи на міц- ність матеріалу [3]. Крім того, структурний стан наводненого матеріалу визна- чають дифузійні процеси: що більша нестабільність існуючих у ньому фаз, то вища чутливість до дії середовища [5]. Тому, розвиваючи ці дослідження, у се- редині 70-их років минулого сторіччя у ФМІ НАН України почали вивчати вплив водню на температурно-часові параметри процесу утворення-розпаду інтерметалічних фаз, щоб застосувати отримані закономірності для поліпшен- ня фізико-механічних властивостей конструкційних матеріалів. Самодифузія, взаємодифузія та атомне впорядкування у системі ме- тал–водень. Утворення у конструкційних матеріалах інтерметалічних фаз під час витоплення і обробки є наслідком формування ближнього атомного по- рядку в розміщенні атомів шляхом дифузії за вакансійним механізмом. Ви- значальною характеристикою такого переміщення є швидкість дифузії, на яку впливають два чинники [6]: термодинамічний − зміна активності атомів і кі- нетичний − зміна їх рухливості. Термодинамічний залежить від енергії зв’яз- ку між атомами, а кінетичний пояснюють виникненням у металі місць підви- щеної рухливості атомів розчинника біля атомів розчиненої речовини. Для систем метал−водень встановлено [7], що дефекти кристалічної структури зу- Контактна особа: В. В. ФЕДОРОВ, e-mail: valfed@ipm.lviv.ua 68 мовлюють нерівномірний розподіл атомів водню в об’ємі металу. Тому про- аналізуємо експериментальні та теоретичні результати про кінетику міграції вакансій у наводнених металах і дію абсорбованого водню на взаємодифузію та атомне впорядкування під час термічної обробки. Вплив водню на самодифузію в металах досліджували на прикладі систе- ми нікель−водень [8]. Вивчали одиничний акт переміщення моновакансії у сусідній вузол ґратки, що еквівалентно переходу найближчого до центра ва- кансії атома металу у вакантний вузол. Розраховували методом молекулярних орбіталей (МО ЛКАО) в межах квазіферміонного наближення, яке допускає розгляд взаємодії атомів у кластері, що містить їх кілька сотень. Для хартрі- фоківського функціоналу, який описує повну енергію багатоатомної системи, отримали вираз 2 2 0 0 , , 2AB AB A B A B E u u= + − η ω + ω∑ ∑ , (1) де u0 і ω0 − вклади, незалежні від міжатомних віддалей, а uAB і ωAB − парні потен- ціали взаємодії атомів; (1 )η = ξ − ξ ; ξ = n / 2N, де n і N − кількість валентних електронів та атомних орбіталей у системі. Таблиця 1. Енергетичні параметри самодифузії у наводненому нікелі [8] Енергетичні параметри, еV Атомне співвідношення H / Ni EV ED Q 0 3,068 1,094 4,162 1 / 116 3,056 1,086 4,142 1 / 68 3,056 1,081 4,137 1 / 38 3,042 1,078 4,120 1 / 14 2,950 1,060 4,010 Для моделювання міграції вакансії у наводненому нікелі використовували сферичні кластери, які містили від 14 до 116 атомів нікелю з центром в октапорі, де знаходиться атом водню. Враховували зміщення атомів відносно вакансії у чотирьох координаційних сферах та водневу дилатацію ґратки. Встановили (табл. 1), що енергії утворення EV і міграції ЕD вакансій за розчинення водню зменшуються, а відносне зниження теплоти активацiї самодифузiї (Q = EV + + ЕD) становить ∆Q/аt.% H = 1%. Така змiна EV та ЕD є наслiдком послаблення мiцностi мiжатомних зв’язкiв i розширення кристалiчної ґратки, які супрово- джують абсорбцiю атомiв водню металом. Отримані результати перевіряли, керуючись тим, що концентрація де- фектів структури у металі є функція температури і за охолодження для досяг- нення рівноважного стану необхідний певний час. Надлишкову кількість ва- кансій отримували, “заморожуючи” їх під час гартування. При цьому зміню- ються фізичні властивості металу. Вивчаючи кінетику їх релаксації, встано- вили енергетичні параметри самодифузії у наводненому нікелі [8]. Енергію активації утворення вакансій знаходили, досліджуючи вплив температури гартування Tq на зміну електроопору, приріст якого ∆R, зумовлений надлиш- ковими термічними вакансіями, описує вираз ( )0 exp ( )B DR R E kT∆ = − , (2) 69 де k − стала Больцмана; R0 − вихідний електроопір. За відпуску надлишковий електроопір загартованих зразків зменшується впродовж часу τ, який оберне- но пропорційний коефіцієнту дифузії вакансій DV: 1 exp DEA Dv kT ⎛ ⎞τ = = ⋅ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ , (3) де А − константа пропорційності. Логарифмуючи експериментальні залеж- ності (2) і (3), за нахилом отриманих політерм визначали параметри EV і ED. Знайдене значення енергії утворення вакансій у нікелі (EV = 1,71 eV) добре узгоджується з літературними даними (1,5…1,7 eV [6]), однак менше від роз- рахованого (3,068 eV). Така розбіжність є наслідком неврахування міжатом- ної взаємодії за межами вибраного радіуса кластера ( 03a , де a0 – параметр ґратки), хоча основна частка у сумарній енергії релаксації атомів навколо вакан- сії (80%) чотирьох атомів першої координаційної сфери та вісьмох третьої. Експериментально отримане значення ЕD = 0,93 eV сумірне з розрахунковим 1,094 eV (табл. 1) і знаходиться у межах інтервалу розкиду літературних да- них (0,92…1,46 eV) [6]. Для визначення впливу водню на дифузію вакансій у нікелі досліджува- ли кінетику релаксації електроопору загартованих зразків під час відпалу при 673 і 773 K. Встановили, що час повернення електроопору до значень, отрима- них за нагріву зразків у водні, порівняно з випробами у вакуумі, скорочується у 4–6 разів за незначного зменшення ЕD ( на 0,006 eV). Очевидно, це зумовлено тим, що в експериментах концентрація втіленого водню, визначена за водне- вою проникністю, становила лише Н/Ме = (5…8)⋅10–4, а в теоретичних розра- хунках була 10–1…10–3. Оскільки і у вакуумі, і у водні електроопір відновлю- ється до одного і того ж значення, зробили висновок [9], що в присутності розчиненого водню рівноважна кількість вакансій за тиску водню 0,1 МРа практично не змінюється, зростає лише їх рухливість. Зменшення параметрів EV, ЕD і Q за наводнювання однозначно вказує на послаблення сил міжатомного зв’язку в системі Ме−Н і пояснюється тим, що втілені атоми водню віддають свої s- електрони в s−d зону металу, що підтверджують результати зміни маг- нетних властивостей у системі Ме−Н [7]. А оскільки перекривання хвильових функцій d-електронних конфігурацій відповідає за ковалентний складник міжатомного зв’язку, то слід чекати його послаблення, про що свідчать ре- зультати дослідження кінетики взаємо- проникання чужорідних атомів під час дифузійного зварювання металів. Зразки заліза та нікелю з відпо- відно підготовленими поверхнями вво- дили у безпосередній механічний кон- такт, після чого відпалювали за високих температур у вакуумі та водні [7]. Концентраційний розподіл взаємопрони- Рис. 1. Політерми коефіцієнта дифузії атомів нікелю в залізо після термо- обробки в вакуумі (1) та водні (2). Fig. 1. Polytherms of the diffusion coef- ficient of nickel atoms into iron after heat treatment in vacuum (1) and hydrogen (2). 70 кання атомів заліза і нікелю як функцію віддалі від межі поділу визначали мікрорентгеноспектральним аналізом. Встановлено, що дифузійне зварюван- ня металів під впливом водню інтенсифікується, на що вказує зростання коефіцієнта дифузії атомів нікелю в залізо за зменшення енергії активації проникання майже втричі (кут нахилу політерм на рис. 1). Для визначення впливу водню на формування атомного порядку вивчали сплави систем Fe−Ni, Ni−Mo та Ni−Mo−Re, у яких утворюються найтиповiші впорядковані структури (табл. 2). Атомне впорядкування сплаву H18, в якому поряд з полiморфним α↔γ-перетворенням формується структура Fe3Ni, дослiджували за нестацiонарною водневою проникнiстю під час нагрiву та охолодження зразкiв [7]. Рiзке пониження потоку водню крізь зразок-мембрану за прямого i зрос- тання за оберненого γ→α-перетворення узгоджується з дiаграмою стану сис- теми Fe−Ni і пояснються рiзною розчиннiстю водню в ГЦК- та ОЦК-ґратках [10]. Однак фазовий перехiд, який вiдповiдав би температурі Курнакова TK для структури Fe3Ni, на цих залежностях не простежується, що спричинено вiдсутнiстю стимулювального відпалу в температурному інтервалі її утворення. Дослідженнями електроопору зразкiв сплаву H18 пiсля вiдпалу у вакуумi та воднi при 773 K впродовж 6 h виявлено [7], що критична температура γ→α-перетворення у воднi порiвняно з вакуумом знижується. Це свiдчить про стабiлiзацiю аустенiту в наводненому сплавi. Крім того, на залежностях R(T) знайдено максимум, який відповідає утворенню при 780...900 K впоряд- кованої структури Fe3Ni. Його зростання пiсля термообробки у воднi вказує на пришвидшення атомного впорядкування у системi Ме−Н. Вплив наводнювання на кiнетику формування структури FeNi вивчали, порiвнюючи температурнi залежностi електроопору пiсля термообробки у вакуумi та воднi (0,1 МPа). Встановлено (рис. 2), що вiдпал монокристалiчних зразкiв сплаву Н36 у вакуумi при 573 K впродовж 30 h не змiнює монотонного характеру залежностi R(T) (крива 1), хо- ча для появи ознак атомного впорядку- вання у воднi (рiзкий спад електроопо- ру) достатньо 30 min витримки за тієї ж температури (крива 2). Зі збiльшен- ням часу iзотермiчного вiдпалу до 1 h (крива 3) температура фазового пере- ходу змiщується вiд 683 до 573 K. При цьому зростає ступінь дальнього атом- ного порядку, про що свідчить подаль- ше зниження електроопору (крива 4) [9]. Спостережуванi вiдмiнностi у тем- пературних залежностях електроопору пiсля водневої обробки i нейтронного опромiнення (криві 5, 6) зумовленi, на наш погляд, неадекватним впливом цих чинників на атомне впорядкування сплаву H36: пiд опромiненням збiльшується кiлькiсть дефектiв кристалiчної структури, а в присутностi розчиненого водню зростає їх рухливiсть. Рис. 2. Температурнi залежностi елект- роопору монокристалiчних зразкiв сплаву Н36 у вакуумi (1, 5), воднi (2−4) та пiсля нейтронного опромiнення (6). Fig. 2. Temperature dependences of elect- rical resistance of monocrystal specimens of the H36 alloy in vacuum (1, 5), hydro- gen (2–4) and after irradiation by neutrons (6). 71 Слід зауважити, що у впорядковуваних феромагнетних сплавах iснує тiсний зв’язок мiж енергiєю атомного впорядкування, спонтанною намагнеченiстю i температурою Кюрi TС [11]. Причому спонтанна намагнеченiсть зменшує кое- фiцiєнти само- i взаємодифузiї компонентiв у сплавах, а взаємозв’язок мiж TС i ступенем дальнього атомного порядку η якiсно описує спiввiдношення TC = 2(3R + α⋅η2) / k, (4) де α = 2JAB − JAA − JBB, R = a2JAA + b2JBB + 2abJAB − параметри, що характеризують обмiнну взаємодiю у сплавi АВ, a i b − атомнi концентрацiї компонентiв. Знаю- чи змiну температури TC пiд час впорядкування, можна оцiнити змiну параметра η. Встановлено [7], що TC пiсля водневої обробки на впорядкування зростає на 18...20 K. Враховуючи, що параметри обмінної взаємодії JFe−Fe = −9 МеV, JNi−Ni = = 52 МеV, JFe−Ni = 39 МеV, на основi виразу (4) розрахували, що за концентра- цiї розчиненого водню H/Me = (5…8)·10–4 значення η у сплавi H36 зростає майже на 25%. Найінформативнішими щодо розкриття фізичного механізму взаємодії у системі впорядкований сплав−водень є дослідження системи Ni−Mo, у якій встановлення атомного порядку супроводжується зміною типу кристалічної ґратки (неоструктурне перетворення) [12]. Знайдені закономірності проілюст- руємо на прикладі сплаву НМ20 (див. табл. 2), в якому за охолодження фор- муються впорядковані структури – метастабільна Ni3Mo (1183 K) та рівно- важна Ni4Mo (1143 K). Однак навіть після довготривалого відпалу (Т=1143 K, 100 h) у сплавах цієї системи співіснують ці фази і невпорядкований твердий розчин, що дало можливість дослідити закономірності формування і ближньо- го (інтерметаліди), і дальнього (впорядковані надструктури) атомних порядків. Таблиця 2. Структура, фазовий та хімічний склад досліджених сплавів Тип кристалічної ґратки твердого розчину Склад, mass.% Сплави невпоряд- кованого впорядкова- ного основа легувальні елементи домішки H18 ГЦК LI2, Fe3Ni Fe 18Ni; 0,62Mn 0,04 H36 ГЦК LI0, FeNi Fe 36Ni; 0,56Mn 0,03 HM20 ГЦК ДIа, Ni4Mo Ni 20,9Mo 0,05 ГЦК ДО22, Ni3Mo HMP 15-10 ГЦК ДО22, Ni3Mo Ni 15,6Mo; 9,8Re 0,16 ГЦК ДIa, Ni4Mo Необхiдно зауважити, що через накладання основних та надструктурних максимумiв на дифрактограмах сплаву НМ20 важко чітко визначити поло- ження та iнтенсивність окремих структурних вiдбить. Щоб їх видiлити, ви- вчали розподiл iнтенсивностi рентгенiвського випромiнювання за кутом θ в областi вiдбить (111) i (200) ГЦК-твердого розчину. Застосовуючи до оброб- ки дифрактограм комп’ютерні технології, роздiлили експериментальнi залеж- ностi, якi є суперпозицiєю кiлькох максимумiв, на окремi складники, що умож- ливило визначення змiни ступеня атомного порядку фази Ni4Mo за наводню- вання. Встановлено (рис. 3), що значення η фази Ni4Mo збiльшується вiд 0,36 пiсля вiдпалу у вакуумi при 1073 K впродовж 20 h до 0,64 пiсля аналогiчної обробки у воднi [12]. 72 При цьому ступiнь тетрагональнос- тi кристалiчної ґратки (спiввiдношення с/а) не змiнюється. Аналiзуючи данi рентгеноструктурного аналiзу та вра- ховуючи, що мiнiмальне концентрацiй- не розвпорядкування сплаву НМ20 вiдповiдає встановленню дальнього порядку за типом Ni4Mo, можна зроби- ти висновок про те, що рiст загального ступеня порядку η пiд час взаємодiї з воднем вiдповiдає, в основному, збiль- шенню об’ємної частки цiєї фази у сплаві. Відпал у водні понижує темпе- ратуру Курнакова ТK. Вивчаючи взаємодiю водню з под- війними сплавами, створили необхiдну методику дослiдження процесiв фазо- утворення у складнолегованих конст- рукцiйних матерiалах, вмiст компонен- тiв у яких вiдрiзняється вiд стехiомет- ричного для будь-якої впорядкованої структури. Тут формується лише ближ- нiй атомний порядок (інтерметаліди), особливостi змiни якого пiд впливом водню розглянемо на прикладі потрiй- ного сплаву HMP 15-10 (див. табл. 2). Основною причиною, яка обмежує широке використання молiбденових сплавiв у технiцi, є пiдвищена крихкiсть i низька якiсть зварних з’єднань. Щоб позбутись цих недолiкiв, застосовують легування, причому оптимальний ефект отримано для ренiю, який одночасно поліпшує зварюванiсть, мiцнiсть, пластичнiсть i тривкість до дiї корозивного середовища (ренiєвий ефект) [13]. У таких потрiйних системах iснують широкi областi гомогенностi твердих розчинiв i утворюються фази того ж типу, що і в бiнарних сплавах Ni−Mo (див. табл. 2). Досліджуючи кінетику фазоутво- рення у сплаві НМР 15-10 методом електропровідності пiд час вiдпалу у вакуумі і водні, виявили немонотонний характер змiни залежностей ∆R(t) (рис. 4), який пояснюють так. Зниження електроопору на першiй стадiї вiдпалу у вакуумi (крива 1) є наслiдком анiгi- ляцiї структурних дефектiв, якi iснують у сплавi у вихiдному станi. Пiсля 10 h вiдпалу процес вступає в другу стадію − утворюється гетерогенна дрiбнодис- персна сумiш надструктурних областей у невпорядкованiй матрицi. Рис. 3. Профiльний аналiз iнтенсивностi CuKα-випромiнювання, вiдбитого вiд пло- щини (III) ГЦК-твердого розчину НМ20 у вакуумi (а) та воднi (b); 1073 K, 20 h. Fig. 3. Profile analysis of intensity of CuKα-irradiation, reflected from the plane (III) of the НМ20 fcc-solid solution in va- cuum (а) and hydrogen (b); 1073 K, 20 h. Рис. 4. Кiнетика змiни електроопору сплаву НМР 15-10 при 973 K у вакуумi (1) і воднi (2). Fig. 4. Kinetics of electrical resistance change of the НМР 15-10 alloy at 973 K in vacuum (1) and hydrogen (2). 73 Зі збiльшенням кiлькостi мiжфазових меж i появою напружень, зумовле- них вiдмiннiстю параметрiв ґраток видiлень i матрицi пiд час когерентного їх спряження, електрони провiдностi додатково розсiюються, збiльшуючи елект- роопiр сплаву. З iншого боку, зi зростанням розмiрiв впорядкованих областей i ступеня атомного порядку в них електроопiр сплаву зменшується. Конкурую- ча дiя цих чинників i призводить до появи максимуму на кiнетичнiй залежностi електроопору пiсля 56 h вiдпалу у вакуумi. Вiдпал у воднi за тiєї ж температури (крива 2) у чотири рази пришвидшує атомне впорядкування. З її пiдвищенням до 1173 K ефект водневого впливу посилюється. Фазовий склад зразкiв сплаву НМР 15-10 визначали за розподiлом iнтен- сивностi рентгенiвських променiв, вiд- битих вiд площин (111) i (200) ГЦК- твердого розчину [12]. Вибраний час вiдпалу зразкiв для фазового аналiзу (20 h при 973 K) вiдповiдає, згiдно з кiне- тичними залежностями змiни електро- опору (див. рис. 4), початку атомного впорядкування у вакуумi. Як бачимо (рис. 5), цій стадiї притаманні лише концентрацiйні неоднорідності, оскiль- ки апроксимацiйнi залежностi на окре- мi максимуми не роздiляються, а їх форма майже адекватна розрахунковiй (штрихова лiнiя на рис. 5а). Рiст другої фази у наводненому сплавi пiдтвер- джують роздiлення вiдбиття (111) ГЦК- твердого розчину на окремi максимуми (рис. 5b). З пiдвищенням температури вiдпалу до 1173 K у сплавi одночасно спiвiснують невпорядкований γ-твер- дий розчин i фази NiMo, Ni3Mo, Ni4Mo. Водень, не змiнюючи структурного типу фаз, збiльшує їх об’ємний вміст у сплаві, понижуючи критичну температуру фазоутворення ТK на 150…200 K. За отриманими закономірностями впливу водню на фазово-структурний стан досліджених матеріалів розроблено новий напрямок термічної обробки конструкційних матеріалів, який полягає у застосуванні водню як технологіч- ного середовища для оптимізації їх міцнісних властивостей. Роботи викону- вали у таких напрямках. 1. Жароміцні нікелеві сплави. Найпоширеніші фазові перетворення у складнолегованих сплавах − це утворення-розпад інтерметалічних фаз [6]. Тому проаналізуємо вплив водню на дифузійні процеси в жароміцних нікеле- вих сплавах з інтерметалічним зміцненням, оскільки об’ємна частка γ′-фази та її розподіл у металевій матриці визначають фізико-механічні властивості цих матеріалів. Для ілюстрації результатів використаємо сплав ВХ-4А (Ni−осн.; 0,16% Fe; 34,2 Cr; 2,79 Mo; 0,84 Nb; 0,8 Al; 0,78 Ti; 0,2 − домішки). Встановлено [7], що, змінюючи час відпалу у водні, можна і зменшити, і збільшити границю міцності жароміцних сплавів. Тому для оптимізації умов Рис. 5. Профiльний аналiз iнтенсивностi CuKα-випромiнювання, вiдбитого вiд площини (III) ГЦК-твердого розчину НМР 15-10 у вакуумi (а) та воднi (b); 973 K, 20 h. Fig. 5. Profile analysis of the intensity of CuKα-irradiation, reflected from the plane (III) of the НМР fcc-solid solution 15-10 in vacuum (а) and hydrogen (b); 973 K, 20 h. 74 їх термічної обробки у водні слід визначити температурний інтервал інтен- сивного утворення γ′-фази; час відпалу у водні, необхідний для отримання її оптимальної об’ємної частки і рівномірного розподілу у зразках; час дегазації для запобігання водневому окрихченню після термообробки у водні і швид- кість охолодження. На основі розробленої схеми на першому етапі за електроопором визначи- ли температурний інтервал утворення інтерметалідів (923...1123 K). Далі рент- геноструктурним аналізом ідентифікували γ′-фазу, яка формується в сплаві ВХ-4А і є інтерметалідами NiAl та Ni3Cr. Вибравши температуру 1073 K, ви- значали час термообробки, необхідний для утворення максимальної кількості цих фаз. Час дегазації зразків знаходили за коефіцієнтом дифузії водню, отри- маним методом проникання, використовуючи залежність [10]: τ = δ2 / 6D, де δ − товщина зразків; D − коефіцієнт дифузії водню, а τ − час, потрібний для рівно- важного насичення і, відповідно, дегазації. Отриманий так сумарний час термо- обробки 20 h − це 16 h фазоутворення + 4 h дегазації зразків після наводнювання. Таблиця 3. Механічні властивості сплаву ВХ-4А Режим обробки Механічні властивості T, K середовище час відпалу, h σВ, МPа σ0,2, МPа δ, % 293 Вакуум Водень – 20 951 1187 588 864 20 13 1073 Вакуум Вакуум Водень – 20 20 490 441 639 380 370 576 15,2 20,0 14,8 Встановлено (табл. 3), що після водневої обробки міцність сплаву ВХ-4А збільшується, а пластичність зменшується. Необхідно вказати, що вихідна термообробка сплаву полягає у витримці після вальцювання 3 h при 1473 K, потім гартування на повітрі і старіння впродовж 20 h при 1123 K (табл. 4). Додатковий відпал у водні при 1073 K збільшує на 30% границю міцності за тієї ж температури за незначного погіршення пластичності. Крім того, розгля- нута можливість заміни у вихідній термообробці жароміцних нікелевих спла- вів старіння на повітрі старінням у водні. Тут час досягнення необхідних міц- нісних характеристик скорочується у чотири рази (табл. 4). Таблиця 4. Вплив умов термічної обробки на механічні властивості сплаву ВХ-4А Витримка при 1473 K, 3 h Старіння на повітрі при 1123 K, 20 h σВ = 490 МPа, δ = 15,2% Гартування на повітрі Старіння у водні при 1123 K, 5 h σВ = 495 МPа, δ = 14,0% Для нікелевих сплавів, у яких γ′-фаза у вихідному стані відсутня, пози- тивний ефект від застосування водню досягають формуванням мікрообластей ближнього атомного порядку, наприклад, типу Ni3Mo, Ni4Mo і NiMo у сплаві НМР 15-10 (рис. 6). Так можна понизити вміст дефіцитних легувальних до- мішок під час створення нових конструкційних матеріалів, а необхідних міц- нісних властивостей досягти термообробкою у водні. 75 Рис. 6. Fig. 6. Рис. 7. Fig. 7. Рис. 6. Вплив атомного впорядкування на границю міцності сплаву НМР 15-10 після обробки у вакуумі (1) та водні (2). Т = 1273 K. Fig. 6. The influence of atomic ordering on the ultimate strength of the HMP 15-10 alloy in vacuum (1) and hydrogen (2) at 1273 K. Рис. 7. Зміна границі міцності сплаву Н18 після термоциклування в аргоні (1) та водні (2). T = 873 K. Fig. 7. Change of the ultimate strength Н18 alloy after thermal cycling in argon (1) and hydrogen (2). T = 873 K. 2. Сплави, в яких в одному температурному інтервалі співіснують фазові перетворення різного типу. Встановлено [3, 14], що під час перетво- рення аустеніту в мартенсит у сплавах системи залізо−нікель (до 30 at.% Ni) формуються складні структурні стани, що надають їм особливі фізико-меха- нічні властивості, зокрема, одночасно високі міцність і пластичність. Однак поліморфне перетворення може значно ускладнитися через додатковий вплив атомного впорядкування. Досліджували сплав Н18, границі міцності й теку- чості якого у цій області концентрацій нікелю максимальні. Встановлено [7], що під час наводнювання сплаву стабілізується структура аустеніту і пришвид- шується атомне впорядкування (структура Fe3Ni), внаслідок чого за водневої обробки можливий конкуруючий вплив цих чинників на міцність. Для перевірки цього припущення вивчали короткотривалу міцність зраз- ків сплаву Н18 після термічної обробки (термоциклування) в інертному сере- довищі (аргон) і водні тиском 0,1 МРа. Встановлено (рис. 7), що залежно від кількості термоциклів у зміні границі міцності зафіксовано дві стадії. На пер- шій (до 20 термоциклів) вона зростає, причому у водні ефект посилюється до 6 разів. Очевидно, це зумовлено тим, що поряд з фазовим наклепом на міц- ність сплаву суттєво впливає утворення мікрообластей ближнього атомного порядку за типом Fe3Ni, на межах яких додатково блокуються дислокації. На другій стадії (>20 cycles) границя міцності в аргоні практично не зміню- ється, що узгоджується з літературними даними [13]. У водні внаслідок росту впорядкованої фази та її подальшого розсмоктування високотемпературна міц- ність зменшується і за значної кількості термоциклів границя міцності сплаву стає меншою за вихідну, а пластичність зростає до 30% (табл. 5). Очевидно, це зумовлено аномальним пластифікуванням наводненого металу за α↔γ-пере- творень [15]. Таким чином, змінюючи умови водневої обробки сплавів, у яких співіснують атомне впорядкування і поліморфне α↔γ-перетворення, можна керувати їх міцнісними властивостями в широкому інтервалі значень σВ та δ. 76 Таблиця 5. Механічні властивості сплаву Н18 Режим досліджень Механічні властивості T, K середовище кількість циклів 473↔973 K σВ, МРа σ0,2, МРа δ, % 293 Аргон Аргон Водень – 15 15 890 880 980 750 705 695 4,8 6,3 5,6 873 Аргон Аргон Водень Водень – 15 15 100 145 160 200 150 85 130 175 85 23,3 22,3 24,3 28,4 РЕЗЮМЕ. Проанализированы результаты исследования влияния водорода на фазо- образование в конструкционных материалах. Установлено, что водород ускоряет само- диффузию, взаимодиффузию и атомное упорядочение в наводороженном Ni и сплавах систем Fe−Ni, Ni−Mo, Ni−Mo−Rе, увеличивая степень атомного порядка и уменьшая кри- тические температуры образования-распада интерметаллических фаз. На примере изучен- ных сплавов и стали ВХ-4А показаны возможности применения полученных результатов для улучшения их физико-механических свойств. SUMMARY. The results of inveatigation of the influence of hydrogen on processes of the phase formation in structural materials have been analyzed. On the basis of study of self-diffusion, mutual diffusion and atomic ordering in hydrogenated Ni and Fe−Ni, Ni−Mo, Ni−Mo−Rе alloys, it has been shown that hydrogen accelerates these processes, increasing the level of atomic ordering and decreases critical temperatures of intermetallic phases formation and de- composition. The applicability of the obtained results for the improvement of physicomecha- nical properties has been shown by examples of these alloys and ВХ-4A steel. 1. Карпенко Г. В. Вплив водню на механічні властивості сталі. − К.: Вид-во АН УРСР, 1960. – 71 с. 2. Карпенко Г. В., Крипякевич Р. И. Влияние водорода на свойства стали. − М.: Метал- лургиздат, 1962. − 196 с. 3. Карпенко Г. В. Работоспособность конструкционных материалов в агрессивных сре- дах: Избр. тр. − К.: Наук. думка, 1985. − Т. 2. − 239 с. 4. Швед М. М. Изменение эксплуатационных свойств железа и стали под влиянием во- дорода. − К.: Наук. думка, 1985. − 120 с. 5. Карпенко Г. В. Про фізико-хімічну механіку матеріалів. – К.: Наук. думка, 1973. – 173 с. 6. Герцрикен С. Д., Дехтяр И. Я. Диффузия в металлах и сплавах в твердой фазе. − М.: Физматгиз, 1960. − 564 с. 7. Похмурський В. І., Федоров В. В. Вплив водню на дифузійні процеси в металах. – Львів: ФМІ НАНУ, 1998. – 208 с. 8. Механизм влияния водорода на самодиффузию никеля / Ю. И. Арчаков, А. М. Доброт- ворский, В. И. Похмурский, В. В. Федоров // Физ.-хим. механика материалов. − 1995. − № 4. − С. 68–75. 9. Похмурский В. И., Федоров В. В. Некоторые особенности влияния водорода на магнит- ные и структурные превращения в переходных металлах и сплавах на их основе // Там же. − 1981. − № 1. − С. 3−11. 10. Гельд П. В., Рябов Р. А. Водород в металлах и сплавах. − М.: Металлургия, 1974. − 274 с. 11. Смирнов А. А. Теория сплавов внедрения. − М.: Наука, 1979. − 365 с. 12. Федоров В. В., Антоневич П. Н., Никифоров Ю. Д. Влияние водорода на процессы атомного упорядочения в сплавах на основе переходных металлов. − Львов, 1988. − 53 с. – (Препр. / АН УССР. Физ.- мех. ин-т; № 146). 13. Исследование коррозионного поведения сплавов Ni–Re, легированных Mo, W, Nb / Ю. Н. Петров, Паршутин, Л. Н. Андреева и др. // Исследование и применение туго- плавких металлов. − М.: Наука, 1983. − С. 139−143. 14. Горбач В. Г. Явление фазового наклепа при α↔γ-превращениях // Металлофизика. − 1970. − Вып. 27. − С. 5−39. 15. Шаповалов В. И. Влияние водорода на структуру и свойства железоуглеродистых сплавов. − М.: Металлургия, 1982. − 230 с. Одержано 22.01.2010

Вплив водню на фазовий склад та фізико-механічні властивості конструкційних матеріалів

Institution

Ähnliche Einträge