Эффекты ориентационного упорядочения в двухфазных сплавах металл V группы - водород тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат физико-математических наук Пещеренко, Марина Петровна

• Пещеренко, Марина Петровна
• кандидат физико-математических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат 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 диссертации (часть автореферата) 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.

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. 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.

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.

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.

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.

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

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Пещеренко, Марина Петровна

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.

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 образцов водородом.

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.

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. 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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Пещеренко, Марина Петровна, 2000 год

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.