Електронна концепція водневої крихкості металів (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 10 грудня 2014 р.)

За допомогою розрахунків із перших принципів та експериментальних методик досліджено особливості впливу водню на фізико-механічні властивості матеріалів. Показано, що теорія підсиленої воднем локалізованої пластичності адекватно описує явище водневої крихкості металів. Однак її інтерпретація в рамка...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2015
Автор:	Теус, С.М.
Формат:	Стаття
Мова:	Ukrainian
Опубліковано:	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2015
Назва видання:	Вісник НАН України
Теми:	Молоді вчені
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/82129
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Електронна концепція водневої крихкості металів (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 10 грудня 2014 р.) / С.М. Теус // Вісн. НАН України. — 2015. — № 2. — С. 63-68. — укр.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-82129
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-821292015-05-26T03:02:08Z Електронна концепція водневої крихкості металів (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 10 грудня 2014 р.) Теус, С.М. Молоді вчені За допомогою розрахунків із перших принципів та експериментальних методик досліджено особливості впливу водню на фізико-механічні властивості матеріалів. Показано, що теорія підсиленої воднем локалізованої пластичності адекватно описує явище водневої крихкості металів. Однак її інтерпретація в рамках механіки суцільних середовищ переоцінює значення індукованого воднем екранування пружної взаємодії між дислокаціями, а також не враховує вплив водню на електронну структуру. З огляду на зазначені особливості, запропоновано електронну концепцію водневої крихкості, згідно з якою причиною індукованого воднем знеміцнення є його вплив на електронну структуру матеріалу і, як наслідок, пружні модулі. На основі електронної концепції розроблено практичні рекомендації для підвищення водневої стійкості аустенітних сталей. При помощи расчетов из первых принципов и экспериментальных методик исследованы особенности влияния водорода на физико-механические свойства материалов. Показано, что теория усиленной водородом локализованной пластичности адекватно описывает явление водородной хрупкости металлов. Однако ее интерпретация в рамках механики сплошных сред переоценивает значение индуцированного водородом экранирования упругих взаимодействий между дислокациями, а также не учитывает влияния водорода на электронную структуру. Принимая во внимание указанные особенности, предложена электронная концепция водородной хрупкости, согласно которой причиной индуцированной водородом хрупкости является его влияние на электронную структуру материала и, как следствие, упругие модули. Основываясь на электронной концепции, разработаны практические рекомендации для повышения водородной стойкости аустенитных сталей. Hydrogen effects on the physical and mechanical properties of materials are studied by means of first principles calculations and experimental methods. It is shown that hydrogen enhanced localized plasticity model adequately describes the phenomenon of hydrogen embrittlement of metals. Nevertheless its description within the framework of continuum mechanics overestimates the level of hydrogen induced shielding of elastic interactions between dislocations and also doesn’t take into account the hydrogen effect on the electron structure. Taking into account the peculiarities mentioned, the electron approach of hydrogen brittleness is developed, according to which the cause of hydrogen induced brittleness is its influence on the electron structure of materials and, as a consequence, on the elastic moduli. Based on the electron concept the practical recommendations for the increase of the resistance from hydrogen brittleness of austenitic steels are developed. 2015 Article Електронна концепція водневої крихкості металів (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 10 грудня 2014 р.) / С.М. Теус // Вісн. НАН України. — 2015. — № 2. — С. 63-68. — укр. 0372-6436 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/82129 54-165 uk Вісник НАН України Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
topic	Молоді вчені Молоді вчені
spellingShingle	Молоді вчені Молоді вчені Теус, С.М. Електронна концепція водневої крихкості металів (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 10 грудня 2014 р.) Вісник НАН України
description	За допомогою розрахунків із перших принципів та експериментальних методик досліджено особливості впливу водню на фізико-механічні властивості матеріалів. Показано, що теорія підсиленої воднем локалізованої пластичності адекватно описує явище водневої крихкості металів. Однак її інтерпретація в рамках механіки суцільних середовищ переоцінює значення індукованого воднем екранування пружної взаємодії між дислокаціями, а також не враховує вплив водню на електронну структуру. З огляду на зазначені особливості, запропоновано електронну концепцію водневої крихкості, згідно з якою причиною індукованого воднем знеміцнення є його вплив на електронну структуру матеріалу і, як наслідок, пружні модулі. На основі електронної концепції розроблено практичні рекомендації для підвищення водневої стійкості аустенітних сталей.
format	Article
author	Теус, С.М.
author_facet	Теус, С.М.
author_sort	Теус, С.М.
title	Електронна концепція водневої крихкості металів (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 10 грудня 2014 р.)
title_short	Електронна концепція водневої крихкості металів (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 10 грудня 2014 р.)
title_full	Електронна концепція водневої крихкості металів (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 10 грудня 2014 р.)
title_fullStr	Електронна концепція водневої крихкості металів (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 10 грудня 2014 р.)
title_full_unstemmed	Електронна концепція водневої крихкості металів (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 10 грудня 2014 р.)
title_sort	електронна концепція водневої крихкості металів (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні президії нан україни 10 грудня 2014 р.)
publisher	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
publishDate	2015
topic_facet	Молоді вчені
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/82129
citation_txt	Електронна концепція водневої крихкості металів (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 10 грудня 2014 р.) / С.М. Теус // Вісн. НАН України. — 2015. — № 2. — С. 63-68. — укр.
series	Вісник НАН України
work_keys_str_mv	AT teussm elektronnakoncepcíâvodnevoíkrihkostímetalívzamateríalaminaukovogopovídomlennânazasídanníprezidíínanukraíni10grudnâ2014r
first_indexed	2025-07-06T08:20:23Z
last_indexed	2025-07-06T08:20:23Z
_version_	1836884981988720640
fulltext	ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2015, № 2 63 ТЕУС Сергій Миронович — кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Інституту металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України, teus.sergey@gmail.com ЕЛЕКТРОННА КОНЦЕПЦІЯ ВОДНЕВОЇ КРИХКОСТІ МЕТАЛІВ За матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 10 грудня 2014 року За допомогою розрахунків із перших принципів та експериментальних методик досліджено особливості впливу водню на фізико-механічні влас- тивості матеріалів. Показано, що теорія підсиленої воднем локалізованої пластичності адекватно описує явище водневої крихкості металів. Однак її інтерпретація в рамках механіки суцільних середовищ переоцінює зна- чення індукованого воднем екранування пружної взаємодії між дислокаці- ями, а також не враховує вплив водню на електронну структуру. З огляду на зазначені особливості, запропоновано електронну концепцію водневої крихкості, згідно з якою причиною індукованого воднем знеміцнення є його вплив на електронну структуру матеріалу і, як наслідок, пружні модулі. На основі електронної концепції розроблено практичні рекомендації для підвищення водневої стійкості аустенітних сталей. Ключові слова: воднева крихкість, електронна структура, аустенітна сталь, розрахунки з перших принципів. Вступ Роль водню в нашому житті зростає з кожним днем. Основними причинами того, що воднева енергетика поступово стає одним із пріоритетних напрямів науково-технічного прогресу, є на- ближення світової енергетичної кризи, пов’язане з обмеженіс- тю запасів традиційних викопних енергоносіїв, та погіршення екологічної ситуації, зумовлене збільшенням шкідливих вики- дів від спалювання вуглеводнів. Усе це стимулює пошук нових екологічно чистих джерел енергії. Водневі технології застосову- ють у найрізноманітніших галузях промисловості, починаючи від виробництва компактних джерел живлення і аж до будівни- цтва надсучасних електростанцій. Крім того, водневі технології активно впроваджуються в автомобілебудування з метою подо- лання проблеми забруднення навколишнього середовища. Сьогодні розвиток водневої енергетики стримується невирі- шеністю багатьох проблем, однією з яких є проблема зберіган- МОЛОДІ МОЛОДІ ВЧЕНІВЧЕНІ УДК 54-165 64 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2015, № 2 МОЛОДІ ВЧЕНІ чинами немає, тобто характеристика міцності сталі не відіграє вирішальної ролі у водневій крихкості. Цей висновок спонукав дослідників до подальших пошуків механізмів водневого окрихчення. Моделі водневої крихкості На сьогодні запропоновано багато моделей водневої крихкості матеріалів, однак найбільш поширеними й фізично обґрунтованими мож- на вважати декогезійний механізм крихкості та механізм підсиленої воднем локалізованої пластичності. Декогезійний механізм водневої крихкості є одним із перших і найчастіше згадуваних у літературі фізично обґрунтованих механізмів. Згідно з цією моделлю, дисоціативна адсорб- ція водню тріщиною спричинює його пере- розподіл біля вершини тріщини відповідно до градієнта діючих гідростатичних напружень у цій зоні, що призводить до послаблення між- атомних зв’язків та формування мікротріщини, яка об’єднується з основною. Істотним недолі- ком цієї моделі є повне ігнорування ролі дис- локацій у процесі зародження мікротріщини. Наприклад, фрактографія високої роздільної здатності вказує на ознаки пластичного руй- нування. Як видно з рис. 2, профіль руйнуван- ня свідчить про те, що тріщина поширюється вздовж площин ковзання, що перетинаються. Отже, саме дислокаційне ковзання зумовлює зародження мікротріщин. Найбільшої популярності набув механізм підсиленої воднем локалізованої пластичнос- ті, згідно з яким водень сприяє екрануванню пружної взаємодії між дислокаціями, а та- кож між дислокаціями та іншими пружни- ми центрами, що призводить до підвищеної рухливості дислокацій і раннього утворення мікротріщин. Проте ця модель також має ряд недоліків. По-перше, з неї випливає, що чим більшою є густина водневих атмосфер навко- ло дислокацій, тим сильнішим має бути ефект екранування пружної взаємодії між ними. У табл. 1 поєднано дані щодо впливу легую- чих елементів на величину водневої крихкості, ня й транспортування водню. Вона пов’язана з явищем водневого окрихчення, що виявляєть- ся у передчасному руйнуванні матеріалів. Ана- ліз великої кількості конструкційних матеріа- лів свідчить про те, що найперспективнішими для потреб водневої енергетики є аустенітні сталі — сплави на основі заліза з гранецентро- ваною кубічною ґраткою, які оптимізують до- даванням інших хімічних елементів. Аустеніт- ні сталі мають значно менший ступінь окрих- чення порівняно, наприклад, з феритними сталями, а також відносно високу корозійну стійкість. Перші дослідження водневої крихкості про- водили лише за допомогою аналізу залежнос- ті величини крихкості від механічних харак- теристик матеріалів. Так, на рис. 1 наведено результати дослідження, під час якого було виконано 465 вимірювань на 34 типах сталей. Як можна бачити, кореляції між цими вели- Рис. 1. Залежність ступеня водневої крихкості від гра- ниці плинності Рис. 2. Фрактографія руйнування наводненої аусте- нітної сталі типу AISI 316 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2015, № 2 65 МОЛОДІ ВЧЕНІ визначеної за допомогою механічних випро- бувань, та на значення ентальпії зв’язку ато- мів водню з дислокаціями, визначеної за до- помогою методики внутрішнього тертя. Слід зазначити, що ентальпія зв’язку атомів водню з дислокаціями характеризує густину водне- вих атмосфер навколо них. Отже, як випливає з отриманих результатів, величина водневої крихкості не залежить від значення ентальпії зв’язку. Тобто легуючі елементи впливають на водневу крихкість, не змінюючи екранування пружної взаємодії між дислокаціями. По-друге, оскільки модель підсиленої вод- нем локалізованої пластичності було розробле- но в рамках механіки суцільних середовищ, то в розрахунках атом водню не ідентифіковано як хімічний елемент. У моделі його розгляда- ють лише як точковий дефект, що створює поле напружень. Це означає, що основні результати моделі мають бути справедливими і для інших елементів, наприклад азоту чи вуглецю. Проте, якщо і є подібність між впливом водню та азо- ту на механічні характеристики матеріалів, то нічого подібного не спостерігається у випадку з вуглецем. На рис. 3 наведено результати до- слідження впливу водню на амплітудозалежне внутрішнє тертя аустенітної залізохромнікеле- вої сталі, а на рис. 4 — результати за подібною експериментальною методикою для систем з азотом і вуглецем. Кути нахилу амплітудоза- лежної частини кривих відповідають ампліту- ді коливань дислокаційних сегментів і є харак- теристикою дислокаційної рухливості. Аналі- зуючи ці дані, можна дійти висновку, що роз- чинення водню спричинює зниження напруги старту дислокаційних джерел та підвищення дислокаційної рухливості. Порівняння впливу азоту і вуглецю свідчить про те, що, незважа- Таблиця 1. Вплив хімічного складу на ентальпію зв’язку між атомами водню і дислокаціями Hb та на водневу крихкість HE. Наводнення відбувалося впродовж 72 год за густини струму 50 мA/cм2 Сталь Hb ± 0,01, еВ HE = [(δH – δ0)/δ0] × × 100, % Cr15Ni25 0,11 94,5 Cr15Ni40 0,12 99,2 Cr25Ni25 0,12 63,0 Cr15Ni25Cu2 0,10 96,9 Cr15Ni25Al2 0,11 95,0 Cr15Ni25Si2 0,11 84,3 Cr15Ni25Mn15 0,11 79,9 Рис. 3. Вплив водню на амплітудозалежне внутрішнє тертя сталі Cr25Ni20 (температура — 120 К, частота коливань — 1 Гц, швидкість нагрівання — 1,5 К/хв) Рис. 4. Вплив азоту і вуглецю на амплітудозалежне внутрішнє тертя сталі Cr18Ni16Mn10 66 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2015, № 2 МОЛОДІ ВЧЕНІ ючи на однакові пружні дисторсії, зумовлені практично однаковими атомними розмірами елементів, азот, на відміну від вуглецю, під- вищує дислокаційну рухливість. Варто зазна- чити, що, виходячи з пружного наближення моделі підсиленої воднем локалізованої плас- тичності, вплив на дислокаційну швидкість обох елементів (азоту і вуглецю) має бути од- наковим. Електронна концепція водневої крихкості Наведена в попередньому розділі аналогія щодо впливу водню й азоту на дислокаційні, а отже, і механічні властивості та відміннос- ті ефектів, зумовлених атомами вуглецю, дає змогу припустити, що причиною такої пове- дінки може бути вплив цих елементів на елек- тронну структуру матеріалу. За допомогою розрахунків із перших принципів було розра- ховано вплив водню на густину електронних станів у ГЦК-залізі (рис. 5). Розчиняючись, водень утворює зв’язані стани нижче металіч- ної d-смуги і зміщує густину станів системи в бік вищих значень енергії, що приводить до збільшення густини станів на рівні Фермі. Це, у свою чергу, виявляється у підвищенні кон- центрації електронів провідності. Отриманий теоретично результат корелює з експеримен- тальними даними. На рис. 6 показано сигнал електрон-спінового резонансу наводненої та ненаводненої сталей. Як видно з цих даних, концентрація вільних електронів у наводне- ному зразку є значно вищою порівняно з не- наводненим. Результати розрахунку впливу водню на просторовий розподіл електронної густини (рис. 7) свідчать, що в околі атомів водню густина валентних електронів є підви- щеною. Отже, атоми водню переміщуються по кристалічній гратці в оточенні хмари електро- нів провідності. Для аналізу наслідків цих ефектів для меха- нічних властивостей було розраховано тензор механічних напружень, з якого визначено зна- чення модулю зсуву. Дані щодо впливу водню на модуль зсуву представлено в табл. 2. Як Рис. 6. Електрон-спіновий резонанс наводненої і не- наводненої сталі Cr18Mn20N0,88 (Т = 77 К). Сигнал калібрування містить 1015 спінів електронів і знахо- диться в лівій частині основного сигналу Рис. 5. Вплив водню на повну густину електронних станів (ПГС) у ГЦК-залізі. Вставка демонструє ситу- ацію на рівні Фермі ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2015, № 2 67 МОЛОДІ ВЧЕНІ можна бачити, насичення воднем призводить до зменшення цього значення. Індуковане воднем зниження модуля зсуву спричинює зменшення напруги старту дисло- каційних джерел, зниження лінійного натягу дислокацій, тобто підвищення їх рухливості, а також зменшення відстані між дислокаціями в планарних скупченнях. Отже, можна визначи- ти певні кореляції між впливом водню на елек- тронну структуру і наслідками для механічних властивостей. Локальне збільшення концен- трації електронів провідності в атмосферах на- вколо дислокацій зумовлює зниження значен- ня модуля зсуву, в результаті чого відбувається раннє зародження дислокацій, підвищується їх швидкість та зменшується відстань між дислокаціями в скупченнях. Це, у свою чергу, призводить до збільшення напруги на головну дислокацію і сприяє ранньому зародженню мі- кротріщин. Підвищення водневої стійкості сталей На відміну від безперспективної для застосу- вання на практиці моделі підсиленої воднем локалізованої пластичності, розробленої в рамках механіки суцільних середовищ, можна, ґрунтуючись на електронній концепції, запро- понувати ідею практичної реалізації підвищен- ня стійкості сталей до водневої крихкості. Як свідчать результати досліджень впливу водню на електронну структуру, механічні властивос- ті наводненої аустенітної сталі можна поліп- шити в тому разі, якщо легуючі елементи здат- ні знижувати густину станів на рівні Фермі, що має виявитися у зменшенні концентрації електронів провідності. За допомогою електрон-спінового резонан- су було проаналізовано вплив легуючих еле- ментів на концентрацію електронів провіднос- ті в сталях і показано, що в аустенітних сталях хром, молібден і марганець знижують, тоді як нікель, мідь, кремній і алюміній збільшують концентрацію електронів провідності. Отже, можна помітити таку закономірність: легуван- ня елементами, які розміщені в періодичній таблиці зліва від заліза, може бути ефектив- ним для запобігання водневій крихкості. Цей висновок повністю підтверджується також аналізом впливу легуючих елементів на вели- чину водневої крихкості в аустенітних сталях. Як випливає з даних, наведених у табл. 3, ле- гування аустенітної сталі хромом, марганцем і молібденом сприяє зниженню негативного ефекту водню. Рис. 7. Просторовий розподіл густини валентних елек- тронів у площині (110) в ГЦК-FeH твердому розчині Таблиця 2. Вплив водню на повну густину станів (ПГС) на рівні Фермі та на модуль зсуву в ГЦК-залізі Система ПГС, (станів/ком. × еВ) C44, ГПа Fe 6,90 279 Fe4H 7,06 229 FeH 8,20 186 Таблиця 3. Вплив легуючих елементів на водневу крихкість аустенітних сталей, що наводнювалися впродовж 72 год за густини струму 50 мA/cм2 Сталь HE = = [(δH – δ0)/δ0] × 100, % Cr18Ni18Mn10 68,0 Cr18Ni18Mn16 ↓ 60,0 Cr18Ni18Mn11Mo2 ↓ 65,5 Cr25Ni25 ↓ 63,0 Cr15Ni25 ↑ 94,5 Cr15Ni25Cu2 ↑ 97,0 Cr15Ni40 ↑ 99,2 68 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2015, № 2 МОЛОДІ ВЧЕНІ С.М. Теус Институт металлофизики им. Г.В. Курдюмова Национальной академии наук Украины бул. Акад. Вернадского, 36, Киев, 03680, Украина ЭЛЕКТРОННАЯ КОНЦЕПЦИЯ ВОДОРОДНОЙ ХРУПКОСТИ МЕТАЛЛОВ При помощи расчетов из первых принципов и экспериментальных методик исследованы особенности влияния водорода на физико-механические свойства материалов. Показано, что теория усиленной водородом локализо- ванной пластичности адекватно описывает явление водородной хрупкости металлов. Однако ее интерпретация в рамках механики сплошных сред переоценивает значение индуцированного водородом экранирования упругих взаимодействий между дислокациями, а также не учитывает влияния водорода на электронную структуру. При- нимая во внимание указанные особенности, предложена электронная концепция водородной хрупкости, согласно которой причиной индуцированной водородом хрупкости является его влияние на электронную структуру мате- риала и, как следствие, упругие модули. Основываясь на электронной концепции, разработаны практические ре- комендации для повышения водородной стойкости аустенитных сталей. Ключевые слова: водородная хрупкость, электронная структура, аустенитная сталь, расчеты из первых прин- ципов. S.M. Teus Kurdyumov Institute for Metal Physics of National Academy of Sciences of Ukraine 36 Vernadsky Ave., Kyiv, 03680, Ukraine ELECTRON CONCEPT FOR HYDROGEN BRITTLENESS OF METALS Hydrogen effects on the physical and mechanical properties of materials are studied by means of first principles calcula- tions and experimental methods. It is shown that hydrogen enhanced localized plasticity model adequately describes the phenomenon of hydrogen embrittlement of metals. Nevertheless its description within the framework of continuum me- chanics overestimates the level of hydrogen induced shielding of elastic interactions between dislocations and also doesn’t take into account the hydrogen effect on the electron structure. Taking into account the peculiarities mentioned, the electron approach of hydrogen brittleness is developed, according to which the cause of hydrogen induced brittleness is its influence on the electron structure of materials and, as a consequence, on the elastic moduli. Based on the electron concept the practical recommendations for the increase of the resistance from hydrogen brittleness of austenitic steels are developed. Keywords: hydrogen embrittlement, electron structure, austenitic steel, first principles calculations. Висновки Проведені теоретичні та експериментальні до- слідження показали, що гіпотеза підсиленої воднем локалізованої пластичності, розробле- на в рамках механіки суцільних середовищ, не пояснює природу водневої крихкості і не при- йнятна для практичного застосування. Запропоновано електронну концепцію по- силеної воднем локалізованої пластичності, згідно з якою причиною водневої крихкості є індуковане воднем збільшення густини елек- тронних станів на рівні Фермі і, відповідно, підвищення концентрації електронів провід- ності. На основі електронної моделі водневої крих- кості розроблено практичні рекомендації для підвищення водневої стійкості аустенітних сталей. Доповідач висловлює велику подяку співав- торам робіт, на основі яких зроблено це пові- домлення, а саме: проф., д.т.н. В.Г. Гаврилюку, к.ф.-м.н. В.М. Шиванюку (Інститут металофі- зики ім. Г.В. Курдюмова НАН України) і проф., д.ф.-м.н. Б.Д. Шаніній (Інститут фізики напів- провідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України).

Електронна концепція водневої крихкості металів (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 10 грудня 2014 р.)

Репозитарії

Схожі ресурси