На наш погляд, розбіжності пов’язані з тим, що всі дослідження проводилися на полікристалічних зразках і таким чином ігнорувалася схильність різних елементів втілення до зернограничної сегрегації. Відомо, що водень та вуглець мають підвищену схильність до зернограничної сегрегації, в той час коли азот такої схильності не виявляє. Вимірюванням внутрішнього тертя та рентгенівської дифракції в роботі показано, що концентраційна залежність в монокристалах з воднем та полікристалах з азотом має лінійний характер, а в полікристалах з вуглецем – квадратичний. З цього випливає, що зерногранична сегрегація вуглецю та водню є причиною того, що частина цих атомів видаляється із твердого розчину і тому вони не роблять внесок в снукоподібну релаксацію, внаслідок чого висота релаксаційного піку зменшується при малих концентраціях елементів втілення, що проявляється в псевдо-квадратичній концентраційній залежності амплітуди релаксації. Отримані результати однозначно свідчать про те, що снукоподібна релаксація в наводнених аустенітних сталях обумовлена одиночними атомами водню, не парами, що відрізняється від прийнятої точки зору щодо розподілу водню як Н-Н пар в гцк сплавах на основі заліза.
Також було досліджено вплив легуючих елементів на ентальпію активації міграції атомів водню в гцк сплавах на основі заліза. Для досягнення цієї мети було використано метод внутрішнього тертя і досліджувався частотний зсув снукоподібних релаксаційних піків. Приклад отриманих спектрів представлено на
З аналізу спектрів випливає, що снукоподібна релаксація характеризується двома піками H1 та H2, які мають однакове значення ентальпії активації але відрізняються значеннями пре-експоненційного фактору, що пояснюється явищем «замороженого» розщеплення релаксації орторомбічного дефекту. Отримані значення ентальпії активації міграції атомів водню, в залежності від легування, наведені в Таблиці 2.
Таблиця 2
Ентальпія активації міграції воднюта значення пре-експоненційного фактору
| Сплав | H1,еВ | H2, еВ | t0(H1), с | t0(H1), с |
| Fe-Cr15Ni25 | 0.544±0.002 | 0.543±0.003 | 8.23·10-12 | 2.49·10-13 |
| Fe-Cr15Ni40 | 0.496±0.002 | 0.495±0.002 | 1.43·10-11 | 8.42·10-13 |
| Fe-Cr25Ni25 | 0.589±0.001 | 0.590±0.001 | 4.67·10-13 | 6.58·10-14 |
| Fe-Cr15Ni25Cu2 | 0.517±0.002 | 0.516±0.001 | 7.53·10-12 | 8.77·10-13 |
| Fe-Cr15Ni25Al2 | 0.555±0.002 | 0.557±0.002 | 7.62·10-13 | 4.68·10-14 |
| Fe-Cr15Ni25Si2 | 0.563±0.001 | 0.562±0.001 | 7.04·10-13 | 5.02·10-14 |
| Fe-Cr15Ni25Mn15 | 0.567±0.002 | 0.567±0.002 | 9.69·10-13 | 4.24·10-14 |
З цих результатів випливає, що легуючі елементи суттєво впливають на міграцію атомів водню. Ni та Cu зменшують ентальпію міграції, в той час як Cr, Al, Si та Mn збільшують її. Отже, можна зробити висновок, що такі елементи як нікель та мідь підвищують рухливість атомів водню, в той час коли інші легуючі елементи зменшують її.
4 Дослідження впливу е-фази на механічні властивості наводнених аустенітних сталей
В стабільних аустенітних сталях, що не схильні до фазових перетворень при будь-яких значеннях деформації або охолодженні до низьких температур, водень призводить до гцк®гщу перетворення. Сформована e-фаза зазвичай розглядається як причина водневої крихкості в стабільних аустенітних сталях. Через те, що дефекти пакування в гцк гратці мають гщу структуру, природно шукати причину обумовленої воднем нестабільності аустеніту в його впливі на енергію дефекту пакування (ЕДП).
Дослідження методом рентгенівської дифракції було використано для того, щоб визначити фазовий склад та відношення e/g в наводнених сталях. Результати обробки експериментальних даних представлено в Таблиці 3.
На основі отриманих експериментальних даних можна зробити висновок, що розчинення водню призводить до формування e-мартенситу та до дилатації кристалічної гратки g-фази. Збільшення концентрації хрому в сталі Fe60Cr15Ni25 та її легування марганцем та кремнієм, збільшує долю спричиненої воднем e-фази, в той час як легування міддю зменшує її. Збільшення концентрації нікелю до 40% або легування алюмінієм, чинить опір g®e переходу.
Таблиця 3
Вплив легуючих елементів на відносну кількість e-фази
| Сплав | Відношення |
| Fe-Cr15Ni25 | 0,1651 |
| Fe-Cr15Ni40 | 0 |
| Fe-Cr25Ni25 | 0,3423 |
| Fe-Cr15Ni25Al2 | 0 |
| Fe-Cr15Ni25Cu2 | 0,1390 |
| Fe-Cr15Ni25Si2 | 0,2093 |
| Fe-Cr15Ni25Mn15 | 0,2390 |
Слід порівняти вплив легуючих елементів на формування e-мартенситу, що викликане воднем, з їх впливом на енергію дефекту пакування та на електронну структуру сплавів на основі заліза. Відомо, що хром, марганець та кремній знижують значення енергії дефекту пакування, що проявляється в розщепленні дислокацій в аустенітній сталі. Нікель, мідь та алюміній діють в протилежному напрямку шляхом збільшення ЕДП та зниження ймовірності утворення дефектів пакування в аустеніті. Таким чином, подібно до того як водень значно знижує енергію дефекту пакування, дестабілізуючи g-фазу та, відповідно, підвищуючи термодинамічну стабільність e-фази, вплив легуючих елементів проявляється у збільшенні або зменшенні впливу водню на дестабілізацію аустеніту, у відповідності із зміною ЕДП, що викликана легуванням. Що стосується впливу водню та легуючих елементів на g®e перетворення в термінах кореляції між енергією дефекту пакування та густиною електронних станів на рівні Фермі, то отримані результати дозволяють стверджувати, що існує обернений зв’язок між цими величинами при розчиненні водню і легуванні кремнієм, в той час як при легуванні аустенітних сталей хромом, марганцем, міддю, алюмінієм та нікелем має місце пряма кореляція.
Розщеплення дислокацій залежно від величини ЕДП відіграє визначальну роль у пластичній деформації матеріалів, характері дислокаційної структури, що формується, і механічних властивостях деформованого матеріалу. Оскільки водень значно зменшує ЕДП, було проаналізовано вплив водню на орієнтаційну залежність пластичної течії в аустенітній сталі. Невід’ємною особливістю дислокаційної структури деформованих гцк кристалів, є їх орієнтаційна залежність, яка виникає через вплив прикладених навантажень на дислокаційне розщеплення. Оскільки вектори Бюргера провідної і замикаючої часткових дислокацій (a/6)<112> по-різному орієнтовані відносно діючої напруги в площині ковзання, виникає додаткове розщеплення або звуження повної дислокації (a/2)<110> залежно від орієнтації гцк кристалу відносно прикладеної напруги. Як наслідок, при деформації розтягом орієнтації кристалів <111> та <110> відповідають додатковому розщепленню дислокацій, а орієнтація <100> - звуженню. Через зменшення напруги, необхідної для ковзання розщеплених дислокацій, перші дві називаються „м'якими” орієнтаціями, а остання – „жорсткою” орієнтацією.
Видно, що в ненаводнених кристалах отримані криві напруга-деформація узгоджуються з очікуваними, в той час як водень разюче змінює орієнтаційну залежність механічної поведінки монокристалів.
Отримані результати можуть бути поясненими, якщо прийняти до уваги, що розчинення водню призводить до зниження термодинамічної стабільності гцк гратки заліза, що обумовлює g®e фазове перетворення. Додаткове розщеплення дислокацій, під час розтягу кристалу вздовж «м’якої» <110> та <111> орієнтацій сприяє формуванню e-фази, в той час як звуження дислокацій в кристалах з «жорсткою» <100> орієнтацією повинно перешкоджати спричиненому воднем g®e перетворенню. Використовуючи рентгенівську дифракцію, показано, що зміна в характері орієнтаційної поведінки відбувається через спричинене воднем формування e-мартенситу при деформації розтягом вздовж напрямків <111> та <110>, що супроводжується зміцненням сталі в цих напрямках, в той час як при деформації вздовж напрямку <100> e-мартенсит не виявлено.
Також, для дослідження впливу легуючих елементів на механічні властивості наводнених сталей та вияснення ролі e-фази в водневій крихкості було проведено механічні випробування сталей. Результат дослідження. Розраховані результати наведені в Таблицях 4, 5.
Таблиця 4
Механічні властивості ненаводнених зразків
| Сплав | 0.2 ± 5, МПa | B± 5, MПa | % |
| Fe-Cr15Ni25 | 125 | 378 | 29 |
| Fe-Cr15Ni40 | 147 | 442 | 45,2 |
| Fe-Cr25Ni25 | 205 | 481 | 27,3 |
| Fe-Cr15Ni25Cu2 | 131 | 374 | 32,1 |
| Fe-Cr15Ni25Al2 | 203 | 468 | 33,6 |
| Fe-Cr15Ni25Si2 | 136 | 351 | 28 |
| Fe-Cr15Ni25Mn15 | 153 | 386 | 27,3 |
Видно, що наводнення призводить до зростання границі плинності та до значного зниження пластичності, що узгоджується з існуючими експериментальними даними. Легуючі елементи по-різному впливають на пластичність наводнених та ненаводнених сталей. В ненаводненій сталі нікель підвищує пластичність. Наводнення призводить до протилежного ефекту і підвищує крихкість при збільшенні концентрації нікелю. e-Фаза не утворюється в сталі з високим вмістом нікелю і цей факт підтверджує те, що e-фаза не є причиною водневого окрихчення. Такі елементи як кремній та марганець підвищують опір до водневої крихкості, незважаючи на утворення e-фази.