Дослідження впливу водню на мікроструктуру сплавів на основі заліза (стр. 3 из 3)
Таблиця 5
Механічні властивості наводнених зразків
| Сплав | 0.2 ± 5, MПa | B ± 5, MПa | , % | ВО, % |
| Fe-Cr15Ni25 | 211 | 228 | 1,6 | 94,5 |
| Fe-Cr15Ni40 | 192 | 195 | 0,34 | 99,2 |
| Fe-Cr25Ni25 | 276 | 379 | 10,1 | 63,0 |
| Fe-Cr15Ni25Cu2 | 199 | 212 | 1 | 96,9 |
| Fe-Cr15Ni25Al2 | 297 | 350 | 1,67 | 95,0 |
| Fe-Cr15Ni25Si2 | 260 | 291 | 4,4 | 84,3 |
| Fe-Cr15Ni25Mn15 | 274 | 316 | 5,5 | 79,9 |
Отримані результати свідчать про те, що e-фаза, спричинена розчиненням водню в сталі, не може бути причиною водневої крихкості.
Затухання залежить від амплітуди деформації після досягнення нею деякого критичного значення. Наводнення призводить до зменшення величини напруження, а також до зростання нахилу амплітуднозалежної частини кривої. Після дегазації водню, крива стає такою ж як до наводнення, за виключенням невеликого збільшення величини фону внутрішнього тертя в усьому діапазоні деформації. Однак нахил кривої після дегазації залишається таким самим як і у випадку ненаводненого зразка, що говорить про те, що збільшення нахилу відбувається не через дефекти, які спричинені воднем. Пояснення спричиненого воднем зниження напруження, при якому внутрішнє тертя стає залежним від амплітуди навантаження, ґрунтується на впливі водню на електронні властивості. Вище було показано, що водень підвищує густину електронних станів на рівні Фермі, а також те, що атоми водню в октаедричних позиціях оточені хмарою валентних електронів (електронів провідності), що проявляється в ранньому старті дислокаційних джерел та полегшенні ковзання дислокацій. Тому критичне значення мікроскопічного напруження повинно зменшуватися, а нахил амплітуднозалежного внутрішнього тертя повинен збільшуватися.
В роботі було проаналізовано вплив легуючих елементів на зв'язок атомів водню з дислокаціями. Результати представлені в Таблиці 6.
Таблиця 6
Значення ентальпії зв’язку між атомами водню та дислокаціями
| Сплав | HB,еВ |
| Fe-Cr15Ni25 | 0,107±0,002 |
| Fe-Cr15Ni40 | 0,096±0,003 |
| Fe-Cr25Ni25 | 0,120±0,003 |
| Fe-Cr15Ni25Cu2 | 0,102±0,002 |
| Fe-Cr15Ni25Al2 | 0,110±0,001 |
| Fe-Cr15Ni25Si2 | 0,112±0,001 |
| Fe-Cr15Ni25Mn15 | 0,114±0,001 |
Видно, що нікель та мідь зменшують це значення, в той час як алюміній, кремній, марганець та хром збільшують його. Це означає, що зниження ентальпії зв’язку деякими елементами повинно призводити до додаткового зниження напруження старту мікропластичної деформації.
Важливим є дослідження ролі різних факторів в спричиненій воднем крихкості, а саме: g®eHперетворення, що викликане воднем, ентальпії міграції атомів водню в гратці аустеніту та ентальпії зв’язку між атомами водню та дислокаціями. З аналізу даних, можна помітити, що, за винятком легування алюмінієм, пластичність наводнених сталей зростає із зростанням кількості eH-мартенситу а, відповідно, водневе окрихчення зменшується.В той же час, водневе окрихчення проявляє схожу поведінку як функція ентальпії міграції водню
та ентальпії зв’язку між атомами водню та дислокаціями . Обидві величини Hm та Hbзростають при наступній послідовності легування:
Ni40®Cu2®Ni25®Al2®Si2®Mn15®Cr25(1)
Можна помітити, що легування елементами які знаходяться в лівій частині цього ряду (Ni40, Cu2, Ni25, Al2) підвищують ЕДП, в той час як елементи з правої частини (Si2, Mn15, Cr25) знижують це значення. Таким чином, ЕДП знижується і, відповідно, дислокаційне розщеплення збільшується при легуванні в цій послідовності зліва направо. В термінах збільшення зв’язку між дислокаціями та атомами втілення це означає, що вирішальним у взаємодії водень-дислокація є хімічний внесок, а не пружний. Іншими словами, головну роль в сегрегації водню на дислокаціях відіграють атмосфери Сузукі, а не Котрела.
Що стосується ентальпії міграції водню, то тут вирішальною є хімічна спорідненість між атомами втілення та заміщення. Зазначимо, що елементи, які знаходяться ліворуч від заліза в періодичній таблиці (Mn, Cr), в послідовності (1) уповільнюють міграцію водню у порівнянні з залізом, в той час як елементи, що знаходяться праворуч від заліза (Ni, Cu, Si, Al) прискорюють її. Можливо ця закономірність є головною у взаємодії між атомами втілення та заміщення в гратці заліза.
Базуючись на проведених дослідженнях, ми вважаємо, що посилення реакції g®eН є корисним для водневої стійкості аустенітних сталей. Що стосується ентальпії зв'язку між дислокаціями і атомами водню, вона несуттєво змінюється при легуванні, і закономірність, скоріше спричинена тим, що елементи, які збільшують ентальпію зв'язку між дислокаціями і воднем, в той же час збільшують долю eН-фази і уповільнюють водневу міграцію, що є більш вагомим фактором у протидії водневій крихкості.
В результаті проведених теоретичних і експериментальних досліджень було сформульовано електронну концепцію підсиленої воднем локалізованої пластичності. Згідно із нею, причиною індукованого воднем знеміцнення є підвищена концентрація електронів провідності, тобто підсилений воднем металічний характер міжатомних зв’язків. Збільшення концентрації електронів провідності та значну їх густину навколо атомів водню було показано за допомогою розрахунків із перших принципів. Локальне збільшення концентрації електронів провідності в водневих хмарах навколо дислокацій призводить до зменшення модулю зсуву і, відповідно, напруги активації дислокаційних джерел
t~2mb/L
де
m – модуль зсуву,
b – вектор Бюргерса,
L – відстань між точками закріплення дислокації,
збільшує дислокаційну рухливість через зменшення лінійного натягу G, що є енергією дислокації на одиницю її довжини
де
 – радіус кривизни дислокації,
а також зменшує відстань між дислокаціями в плоских дислокаційних скупченнях
де
n – коефіцієнт Пуассона,
s – прикладена напруга.
Зменшення завдяки водню відстані між дислокаціями в скупченнях повинно призвести до збільшення в них кількості дислокацій і, відповідно, до збільшення напруження на провідну дислокацію при тому ж значенні прикладеного навантаження, що має бути причиною полегшеного формування мікротріщини.
Висновки
1. Показано, що декогезійна гіпотеза є незадовільною для опису водневого окрихчення аустенітних сталей. Як випливає з abinitio розрахунків, розчинення водню в гцк залізі підвищує густину електронних станів на рівні Фермі, що свідчить про підвищення концентрації електронів провідності. Це означає, що водень підсилює металічний характер міжатомних зв’язків, що не може бути причиною крихкого руйнування.
2. Роль спричинених воднем фазових перетворень в водневому окрихченні вивчалася за допомогою рентгенівських досліджень, а також аналізу впливу легуючих елементів на енергію дефекту пакування та на механічні властивості. Показано, що легування такими елементами як Cr, Si та Mn збільшує кількість e-фази в аустенітній сталі і, в той же час, підвищує опір впливові водню. Легування міддю, алюмінієм і підвищення вмісту нікелю протидіє g®e перетворенню і погіршує опір водневому окрихченню. Таким чином, формування e-фази в аустеніті також не може спричинити окрихчення.
3. Аналіз взаємодії між атомами втілення та заміщення дозволяє зробити висновок, що снукоподібна релаксація в гцк твердих розчинах на основі заліза, легованих вуглецем, азотом або воднем, обумовлена одиночними атомами втілення, що утворюють комплекси з атомами легуючих елементів.
Список використаної літератури
1. С.М. Теус, В.Н. Шиванюк, В.Г. Гаврилюк. Влияние водорода на ориентационную зависимость напряжения течения в аустенитной стали //Металлофизика и новейшие технол.- 2007.- т. 29.- №5.- С. 693 – 700.
2. С.М. Теус, В.Н. Шиванюк, В.Г. Гаврилюк. Влияние водовода на межатомное взаимодействие в железе // Междунар. конф. «Водородная економика и водородная обработка материалов».- Донецк, 2007.- Т.2.- С. 641-645.
3. S.M. Teus, J. Foct, V.G. Gavriljuk. Mechanical behaviour and dislocation structure of hydrogen-charged iron-based single crystals // Hydrogen Materials Science and Chemistry of Carbon Nanomaterials: VIII International Conference ICHMS’2003, Sudak, Ukraine.- P.230-233.