Релаксационные эффекты в новодороженных железе и мартенсите стали при низких температурах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат физико-математических наук Гольтер, Андрей Эдуардович

• Гольтер, Андрей Эдуардович
• кандидат физико-математических наук
• 1983

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Гольтер, Андрей Эдуардович

ВВЕДЕНИЕ

1. НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЕ ВНУТРЕННЕЕ ТРЕНИЕ В НАВОДО-РОЖЕННЫХ ЖЕЛЕЗЕ И СТАЛЯХ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)

1.1. Введение

1.2. Водород в междоузлиях. Водородный пик

Сноека.

1.3. Взаимодействие водорода с дислокациями. Водородный пик холодной обработки.

1.3.1. Условия наблюдения и общая характеристика ВПХО.

1.3.2. Влияние примесей.

1.3.3. Взаимодействие водорода с дислокациями и водородная хрупкость.

1.3.4. Водородный пик холодной обработки и дислокационные релаксации в железе.

1.4. Пик внутреннего трения, обусловленный молекулярным водородом.

1.5. Выводы по разделу I и постановка задачи исследования.

2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

2.1. Приготовление образцов.

2.2. Экспериментальная техника.

3. РЕЛАКСАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА И СОСТОЯНИЕ ВОДОРОДА В ЖЕЛЕЗЕ И МАРТЕНСИТЕ СТАЖ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ 50 3.1. Внутренее трение в наводороженном железе

3.1.1. Пик внутреннего трения и фазовое превращение водорода в железе.

3.1.2. Внутреннее трение в твердом водороде.

3.1.3. Закономерности наводороживания и дегазации железа.

3.2. Внутреннее трение в наводороженном мартенсите сталей.

3.2.1. Внутреннее трение в мартенситостареющей стали КГ8К12М4Т.

3.2.2. Внутреннее трение в мартенсите стали 07Х16Н6.

3.3. Вывода по разделу 3.

4. НИЗКОТМШЕРАШНАЯ ДИСЛОКАЦИОННАЯ РЕЛАКСАЦИЯ В ЖЕЛЕЗЕ.

5. ОБЩИЕ ВЫВОда.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Релаксационные эффекты в новодороженных железе и мартенсите стали при низких температурах»

Железо и его сплавы - основные конструкционные материалы техники нашего времени и обозримого будущего, роль которых в техническом прогрессе человечества трудно переоценить. Поэтому, проблема борьбы с вредными последствиями наводороживания - водородной хрупкостью изделий из железа и сталей имеет особую важность. Приближенные расчеты показывают, что ущерб от неконтролируемого наводороживания в масштабе Советского Союза составляет 600-800 млн. рублей в год, и в защите от наводороживания в первую очередь остро заинтересованы металлургическая, машиностроительная, авиационная, судостроительная, нефтедобывающая, газодобывающая, нефтега-зоперерабатывающая, угольная и многие другие отрасли промышленности, а также многочисленные предприятия тепло- и атомноэнергетического профиля, производства металлоизделий широкого народного потребления, инструмента, контрольно-измерительных приборов, сельскохозяйственных машин и т.д. [I] .

Сказанное убедительно свидетельствует в пользу важности, актуальности и практической целесообразности усилий исследователей, направленных на выяснение физических причин возникновения водородной хрупкости.

В настоящее время не вызывает сомнений тот факт, что природа водородной хрупкости в значительной мере зависит от состояния, распределения и особенностей взаимодействия водорода с дефектами кристаллической структуры. Как показывает анализ литературных данных, плодотворным методом измерения многих характеристик водорода в металлах является метод внутреннего трения [2] , ранее зарекомендовавший себя при изучении состояния, поведения и взаимодействий различных газов и примесей внедрения в металлах. Так, например, изучение водородного пика холодной обработки (ЕПХО) в низкотемпературном релаксационном спектре наводороженных железа и сталей дало возможность определить энергию взаимодействия водорода с дислокациями, диффузионные характеристики и, в некоторых случаях, особенности распределения водорода в металле.

В силу ничтожной растворимости водорода в железе, при низких температурах весь абсорбированный материалом водород будет либо молизован во внутренних полостях металла - коллекторах, либо захвачен в областях объемного растяжения (OOP) кристаллической решетки, связанных со структурными дефектами различного типа и являющихся ловушками для атомарного водорода. Поскольку дислокации не самые эффективные и далеко не единственные водородные ловушки в железе и сталях, естественно предполагать существование в температурном спектре внутреннего трения наводорожен-ных сплавов железа эффектов, обусловленных водородом в состояниях отличных от состояния водорода на дислокациях, которое характеризуется ЕПХО. Однако, отклик металловодородной системы на внешнее переменное напряжение, когда водород находится в молекулярном виде в порах металла или в атомарном состоянии в OOP кристаллической решетки, исключая OOP вблизи дислокаций, в настоящее время не изучен, несмотря на то, что при определенных условиях повышенная концентрация водорода в каждом из упомянутых состояний способна привести к преждевременному хрупкому разрушению металлических конструкций.

С учетом сказанного выше, основной задачей настоящей работы явилось экспериментальное выявление и изучение эффектов в низкотемпературном спектре внутреннего трения наводороженных железа и сталей, обусловленных водородом в порах металла и OOP кристаллической решетки. Эта задача решалась главным образом путем измерения внутреннего трения при температурах 4.2 - 50 К в специальным образом приготовленных образцах наводороженного железа и сталей Ш8К12М4Т, 07XI6H6 в мартенситном состоянии.

Порядок изложения материала в работе отражает последовательность решения основной поставленной задачи.

Дополнительно, измерения внутреннего трения при низких температурах в деформированном и наводороженном железе сделали возможным получение информации о свойствах твердого молекулярного водорода, как такового, а измерения внутреннего трения в деформированном наводороженном железе позволили исследовать природу низкотемпературной дислокационной релаксации.

Как итог выполнения работы, автор выносит на защиту следующие результаты и положения:

- разработанную технику измерения внутреннего трения в тонких металлических пластинах на частотах 50-2500 Гц в интервале температур 4,2 - 300 К;

- обнаруженный на температурной зависимости внутреннего трения пик, обусловленный твердым молекулярным водородом;

- механизм, ответственный за фоновое внутреннее трение в твердом молекулярном водороде при Т > 13 К;

- выявленные закономерности электролитического наводорожи-вания и дегазации деформированного железа;

- обнаруженный на температурной зависимости внутреннего трения в наводороженной мартенситостареющей стали HI8KI2M4T максимум, обусловленный атомарным водородом в 00Р кристаллической решетки металла;

- механизм для объяснения связанного с атомарным водородом максимума внутреннего трения в стали ШЖ12М4Т, предполагающий рассеяние энергии в конденсате атомарного водорода в OOP;

- выявленный на температурной зависимости внутреннего трения в наводороженном мартенсите сталей HI8KI2M4T , 07XI6H6 максимум, обусловленный диссипацией энергии в жидком молекулярном водороде в порах металла, и установленные закономерности его изменения в ходе наводороживания и дегазации;

- установленные закономерности влияния нав одороживания на внутреннее трение в мартенсите стали 07Х16Н6;

- обнаруженный в деформированном железе пик внутреннего трения дислокационной природы и характеристики соответствующего процесса неупрутой релаксации.

Работа выполнена на кафедре физики металлов Воронежского политехнического института в соответствии с разделом 1.3.2.4 "Исследование влияния состояния поверхности и физико-химического воздействия активных сред на процессы деформации и разрушения твердых тел" проблемы 1.3.2 "Физика прочности и пластичности" Координационного плана научно-исследовательских работ АН СССР по направлению 1.3 "Физика твердого тела" на 1981-1985 г.г.

I. НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЕ ВНУТРЕННЕЕ ТРЕНИЕ В НАВОДОРОЖЕНШХ ЖЕЛЕЗЕ И СТАЛЯХ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУШ)

1.1. Введение

Внутреннее трение, как один из наиболее информативных методов изучения поведения водорода в металлах, применялся многими исследователями. Опубликовано несколько обзоров, рассматривающих различные эффекты во внутреннем трении металлов, обусловленные поглощенным водородом [2-6] . В литературе, посвященной экспериментальному изучению наводороженных железа и сталей, неоднократно описаны наблюдения двух различных по своей природе низкотемпературных релаксационных максимумов - это "водородный пик Сновка" и "водородный пик холодной обработки". Первый связывают с процессом диффузионного перераспределения, внедренного в кристаллическую решетку водорода под действием приложенных напряжений [7-10] . Второй пик, по мнению ряда исследователей, возникает благодаря водород-дислокационному взаимодействию [10-26] . О пике Сноека сообщалось для температур 30-120 К. Водородный пик холодной обработки наблюдали при температуре в интервале 90-220 К. Водород-дислокационным взаимодействием, по-видимому, обусловлен и так называемый " ^-пик", выявленный в железе при температуре около 4 К [24] . Следует отметить, что соответствующие всем трем упомянутым эффектам неупругие релаксации предполагают присутствие в металле водорода в атомарном состоянии.

Относительно недавно были опубликованы сообщения о наблюдении пика при 14 К на температурной зависимости внутреннего трения ( .(Г ) железа существенно иной природы по сравнению с описанными выше [27,28] . Новый пик в железе обусловлен рассеянием энергии в жидком молекулярном водороде, скопившемся в полостях (порах, микротрещинах) внутри металла в результате наводо-роживания,

В работах рада исследователей было показано, что насыщение водородом железа и сплавов на его основе может вызвать появление пиков на температурных зависимостях внутреннего трения при сравнительно высоких температурах: 200-350 К [29-33] • Природа и механизмы возникновения этих пиков пока не ясны. Однако, существенной особенностью, отмеченной в [6] , является возможность наблюдения аналогичных пиков и в деформированных металлах не содержащих водород. В настоящее время имеются многочисленные доказательства, в том чиоле полученные путем измерения внутреннего трения, сввдетельствувдие о наклепе металла в процессе электрохимического насыщения водородом [34-38] , и эксперименты, подтверждающие, что наводороживание и пластическая деформация по отдельности приводят к появлению в рассматриваемой температурной области качественно аналогичных эффектов на зависимостях С[ (Т) [17,25,29,33] . Таким образом, есть достаточные основания считать [33] , что роль водорода в формировании пиков 0. при температурах выше 200 К сводится, в основном, к созданию дислокаций в процессе насыщения. Учитывая это обстоятельство, а также возможность найти подробные обзор и анализ исследований природы пиков 0. в районе 200-350 К и водородного наклепа методом внутреннего трения в работе [б] , данные по этим вопросам далее обсуждаться не будут.

В настоящем обзоре вся литература, посвященная описанию релаксационных явлений в наводороженных железе и сталях с о.ц.к. структурой классифицирована с точки зрения состояния (места ло-# кализации) водорода в металле. Поэтому, ниже последовательно рассмотрены экспериментальные данные, касающиеся исследований:

- релаксации, обусловленной междоузельным водородом в металле (водородного пика Сноека);

- релаксаций, связанных с водородом вблизи дислокаций (водород-дислокационным взаимодействием);

- пика внутреннего трения, обусловленного молекулярным водородом в железе.

I. Водород в междоузлиях . Водородный пик Сноека.

Релаксацией Сноека называют неупрутуга релаксацию, обусловленную атомами внедрения, растворенными в объемно-центрированных кубических металлах [39] . Первоначальная модель этой релаксации была предложена Сноеком [40] . Модель рассматривает примесный атом внедрения в о.ц.к. металле как дефект тетрагональной симметрии. Поэтому» можно ожидать появления неупрутой релаксации за счет упорядочения в поле приложенных напряжений.

Вейнер и Гензамер были,по-видимому, первыми, кто сообщил [7] об экспериментальном наблюдении релаксации типа Сноека. Они подвергали наводороживанию образцы стали с 0,2 % С электролитическим способом в 4 % -ной , при плотности тока | =3 мкА/мм? в течение времени Ь =24 часа и методом высокотемпературного наводороживания в газе ( 773 К, 2 часа + 873 К, 2 часа) при давлении Р« 4,1 МПа. Оба метода дали одинаковые результаты. С целью задержания водорода в образцах применялось покрытие их медью, немедленно после наводороживания. Измеряя 0. на частоте 20 Гц, автор! [7] обнаружили пик внутреннего трения (С^З.Ю-3) дри температуре 50 К, исчезавший в процессе старения при 300 К и оценили энергию активации соответствующего релаксационного процесса по методу Верта-Маркса [41] , получив величину 17 =0,13 эВ. Основываясь на близости значения коэффициента диффузии =2,8-Ю"17 см2.с""1, вычисленного из данных по внутреннему трению, к величине полученной экстраполяцией высокотемпературных (Т > 473 К) значений, приводимых другими авторами [42,43],Вейнер и Гензамер заключили, что выявленный ими пик обусловлен индуцируемой напряжением диффузией внедренного в металл водорода.

Бели температурное положение пика, изученного Вейнером и Гензамером, в пределах ошибки эксперимента согласовалось с оценкой его температуры, сделанной путем экстраполяции, то положив высокотемпературное значение XI = 0,13 эВ, Геллер [8] получил при частоте измерений (л)/£тс= I Гц ожидаемую температуру лика Тр = 47 К, значительно превышающую его экспериментальный результат Тр = 30 К. Свои измерения Геллер выполнил на образцах железа с общим содержанием С и /V 0,02-0,04 % на частотахСО/2#= =f~I Гц. Им было применено катодное насыщение образцов в 4 %-ном растворе Н^О/, > I мА/мм2^ > 0,5 часа). Для насыщения железа дейтерием использовался раствор серной кислоты в 1^0. Геллером не было отмечено каких-либо экспериментальных следствий различия суммарного количества примесей в использовавшихся им образцах. Высота наблвдаемых пиков (Й^.Б-ИГ4) была одинакова как в отожженных, так и в деформированных и состаренных образцах. Более того, выявленные пики оказались нечувствительными к общей концентрации водорода, изменявшейся при дегазации и за счет различных режимов наводороживания. Отмечая в своей работе отсутствие прямых доказательств непричастности дислокаций или посторонних примесей к возникновению пика в на-водороженном железе, Геллер, все же, делает заключение о связи обнаруженного им эффекта с релаксацией отдельных атомов водорода в совершенной кристаллической решетке железа. Более низкую - температуру локализации пика ( 30 К), чем ожидалось из классической теории (47 К) и аномально большой изотопический эффект, состоящий в сдвиге лика с 30 К до 35 К дри насыщении железа дейтерием вместо водорода, автор объясняет возможностью тунель-ного перехода водорода из одного равновесного положения в другое, подтверждая эту возможность расчётами, выполненными для квантовомеханической модели изучаемого явления. Однако, если принять во внимание, как это сделано в [3] , разницу между установленными значениями энергии активации диффузии водорода в ос - ре, сложность точного определения температуры водородного пика и погрешности использования при низких температурах значений энергии активации процесса, определенных при высоких температурах, различие между экспериментальной и расчетной температурой пика можно считать незначительным и гипотезу Геллера ненужной.

По сравнению с [8] » более убедительными представляются результаты Лорда [9] , получившего пик Сноека на образцах арм-ко-железа, измеряя 0. импульсным методом при частоте продольных ультразвуковых волн 10 МГц. Использовавшиеся Лордом образцы, были многослойными, состоящими из тонких полосок толщиной 0,36 мм, соединяемых вместе после закалки в воде, завершающей полуторочасовой процесс термического насыщения водородом при температуре 1163 К и давлении 101 кПА. Образцы охлаждались до температуры пика в течение 0,5 часа после закалки. с

Пик внутреннего трения высотой (4-12)«10 наблюдался сразу после закалки при температуре 120 К и исчезал после нескольких дней старения при комнатной температуре. Экспериментально найденные температурное положение и полуширина пика находились в хорошем согласии с предсказаниями, основанными на высокотемпературных определениях диффузионных характеристик водорода в железе Джонсона и Хилла [42] и предположением, что водород занимает в решётке железа октаэдрические позиции внедрения. Пику Сноека соответствовало значение коэффициента диффузии I) = 1,43е 10""^ см2.с"1, близкое к вычисленному по формуле Джонсона и Хилла 1) =2,1-Ю"9 см2.с"1 при 120 К. Тем не менее, с интерпретацией данного явления автором [9] трудно согласиться до конца, так как даже по самым завышенным оценкам время выхода водорода при комнатной температуре из тонких пластин железа не могло превышать I часа. Тогда как исследованный пик исчезал в течение I часа только при 573 К, а при 300 К сохранялся несколько дней. По-видимому, как на скорость удаления водорода, так и на само затухание оказывали влияние примеси,содержащиеся в металле, способные изменить и сам механизм релаксации.

Последнее и наиболее тщательное исследование релаксации типа Сноека в относительно чистом железе ( 0,004 0,0003$ А/, 0,007$0) выполнил Джибала[ю] . Его образцы насыщались водородом посредством катодной поляризации их в 4 %-ком растворе

Н^БО^ (| =20-200 мкА/мм2, 1 =0-24 ч). Были выполнены тщательная очистка и электрополировка образцов перед наводорожива-нием и покрытие их поверхности кадмием с целью предотвращения потерь водорода в ходе измерения. В результате этих мер относительная атомная концентрация водорода в готовых образцах до--5 стигала 3*10 .

Небольшой пик Сноека ) появлялся на температурных зависимостях 0.1 , как для отожженных, так и для предварительно деформированных образцов, только после наводо-роживания, при постоянной температуре Т=48 К для частоты измерения -р =80 кГц, как и ожидалось из имевшихся данных по диффузии. По сдвигу своего лика по температуре с изменением частоты возбуждаемого ультразвука, способом Верта-Маркса, по измерениям полуширины пика, по углу наклона низкотемпературной и высокотемпературной ветви пика [41] и, наконец, путем прямого сравнения своих результатов с данными предыдущих исследователей, измерявших й на других частотах, Джибала получше зависимость времени релаксации от температуры Т =1,7 •КГ14 ехр (1007/Т) с, соответствующую энергии активации диффузии водорода!/=0,087 эВ. Вывод автора о природе релаксации подтверждается также экспериментами, в которых высота пика 0. уменьшалась после отжига образцов в вакууме при 333 К и вследствие деформации наводоро-женного железа. Кроме того, предварительная деформация (до насыщения водородом) не оказывала существенного влияния, ни на высоту стабильного пика, ни на его форму. Форма и ширина максимума были близки к форме и ширине соответствующего дебаевского пика. Однако, подобно другим исследователям, главная причина, по которой Джибала связал пик при 48 К с релаксацией Сноека состояла в том, что при этом получалось хорошее согласие с экстраполированными данными по диффузии водорода в железе при высоких температурах. С современной точки зрения экспериментальные данные Джибала мо1ут иметь и иную интерпретацию, учитывающую взаимодействие водорода при низких температурах с остаточными примесями, тем более, что сам Джибала, спустя десятилетие, полагает [2] , что этот пик обусловлен релаксацией дефектов в кластерах типа Л/"" Н, С ~ Н или 0 ~ Н • Такие релаксации при низких температурах уже обнаружены в о.ц.к. тугоплавких металлах [44- 46].

В связи с тем, что понимание закономерностей низкотемпературной диффузии водорода и его изотопов в об- Ге критически опиралось на справедливость интерпретации Геллера [8] , группа исследователей сделала попытку воспроизвести его результат по наблюдению релаксации и изотопического эффекта, используя очень чистое железо [47,20,24] . Относительная атомная концентрация с углерода в образцах была ~ 4«10 , азот как примесь не обнаруживался.

Повторив эксперименты Геллера, авторы [47] нашли пик при температуре 26 К ( -р =1,5 Гц), высота которого увеличивалась после холодной деформации на 5 % при комнатной температуре в согласии с результатами [8] . Однако, аналогичный пик может быть получен при той же самой температуре с использованием той же экспериментальной установки и железа без какого-либо наводорожи-вания, как это было показано Хивертом с соавторами [48,49]. Этот последний пик появлялся сразу после деформации (5 %) при комнатной температуре хорошо отожженных образцов и соответствовал оС-пику в железе, впервые упомянутому Какегава и Сакамото [50]. Релаксационные характеристики двух пиков ([47] и [48] ) и поведение при отжиге настолько близки, что их соответствие одному и тому же релаксационному процессу вызывает мало сомнений.

Хиверт и др. [48-49] , наблюдая пик при 30 К, классифицировали его как пик дислокационной релаксации, возникающий благодаря формированию пар перегибов на краевых дислокациях (вероятно 71 - градусных дислокациях) на плоскостях скольжения типа

110} . Такую же интерпретацию авторы [47] дают своему пику. Далее, анализируя литературные данные по температурному положению рассматриваемого максимума для различных частот измерения 0., они приходят к заключению, что все пики, включая пики Геллера [8] и Джибала [ю] могут быть отнесены к одному и тому же процессу с энергией активации!/~ 0,05 эВ и частотным о то с т фактором Го =10 -10 ' с . Последний вывод дает основание связать пик, наблюдавшийся впервые Геллером, с релаксацией типа Бордони (формированием пар перегибов на дислокациях [51,52] ) за счет краевых дислокаций, генерируемых при наводороживании [в].

Существует возможность того, что водородный пик Сноека расположен очень близко к релаксационному дислокационному пику и его из-за этого трудно выделить. Мало вероятно, однако, чтобы это было причиной отсутствия первого в спектре 0. (Т). Учитывая то, что для междоузельного водорода следует ожидать величину предэкепоненциального фактора Г0 на несколько порядков меньшую, чем То для дислокационной релаксации, есть основания полагать, что эксперименты в широком диапазоне частот позволили бы разделить эти пики.

В исследованиях [20,24] пик, выявленный Геллером также не сумели обнаружить, но малой величины оС-пик присутствовал в той же температурной области за счет введения свежих дислокаций в процессе наводороживания. Окончательное усилие обнаружить индуцируемую внешним напряжением переориентацию изолированных атомов водорода в решетке состояло в попытке увеличить концентрацию междоузельного водорода в наводороженном при комнатной температуре железе посредством слабой деформации (0,6 %) при 4,2 К, вырывающей дислокации из атмосфер малоподвижной примеси внедрения. Доказательством, что такая операция способна открепить дислокации служит наблюдаемое при этом уменьшение модуля сдвига при 4,2 К, Получающаяся в результате микроскопическая конфигурация оказалась относительно стабильной, так как измеримого закрепления дислокаций не наблюдалось в диапазоне 4,2 -- 18 К* Закрепление при Т«18 К служит доказательством миграции водорода в атомном масштабе на дальние расстояния. Если бы водород вел себя подобно углероду или азоту, можно было бы ожидать существования водородного пика Сноека при температуре на несколько градусов меньшей 15 К). Неудачная попытка [20,24] измерить пик Сноека, несмотря на локальное искусственное увеличение водородной концентрации, достигаемое откреплением дислокаций, служит убедительным доводом в пользу идеи, что водородные дефекты в чистом железе не способны обеспечить искажения решетки, необходимые для возникновения измеримого пика Сноека, Такой вывод относительно водорода в ос- Ре согласуется с поведением водорода в остальных о.ц.к. металлах, таких как Л/В, V , То, [2,4-5] . Возможным объяснением противоречия результатов последних и ранних работ [7-ю] является то, что водород взаимодействует при низких температурах с некоторыми примесями и максимум Сноека, изученный в ранних работах, в действительности вызывается релаксацией внедренного водорода, совершающего скачки в окрестности примесного атома.

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Гольтер, Андрей Эдуардович

5. ОНЦИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработано и изготовлено устройство для измерения внутреннего трения в тонких металлических пластинах на частотах 50-2500 Гц в температурном интервале 4,2 - 300 К.

2. В температурном спектре внутреннего трения деформированного и наводороженного железа впервые обнаружен и изучен пик, обусловленный рассеянием энергии в твердом молекулярном водороде во внутренних полостях (порах) образцов. При этом, впервые исследована температурная зависимость 0. в твердом молекулярном водороде и определены энергии активации процессов, ответственных за термически активируемое внутреннее трение в твердом в области Т£7 кЦ^Ю К, в области Т > 13 К Ц^195 К. Исходя из результатов термоактивационного анализа в качестве механизма, ответственного за фоновое 0. в твердом Н^, указана ползучесть типа Набарро-Херринга. Тем самым показано наличие общих закономерностей в поведении фона внутреннего трения в твердом водороде и металлах.

3. Установлено, что изменения высоты пика, обусловленного молекулярным водородом в железе, в ходе наводороживания или дегазации, отражают соответствие изменения в количестве Нг в образцах. При этом показано: увеличение плотности тока наводороживания в интервале 0,05-5 мА/мм^ уменьшает количество молекулярного водорода в железной фольге; при увеличении длительности наводороживания и постоянной плотности тока количество Н^ в образце конечных размеров может проходить через максимум; молекулярный водород легко выходит из железной фольги при температурах выше 343 К.

4. На температурной зависимости внутреннего трения в наво-дороженной мартенситостареющей стали Н18К12М4Т ниже 14 К впервые

•обнаружен пик, связанный с атомарным водородом в областях объем--ного растяжения (OOP) кристаллической решетки металла. Установлено, что высота пика растет с увеличением количества водорода в OOP кристаллической решетки, являющихся ловушками атомарного водорода, а температурное положение смещается в сторону высоких температур с увеличением степени растяжения кристаллической решетки в преобладающем типе ловушек в образце.

5. Для объяснения природы эффекта, связанного с атомарным водородом в OOP металла, предложен механизм, предполагающий рассеяние энергии в конденсате атомарного водорода в ловушках. При этом, в качестве причины конденсации (упорядочения) указано существование слабой ковалентной связи между атомами водорода в OOP кристаллической решетки.

6. На зависимостях (Г(Т) в наводороженном мартенсите сталей 07XI6H6 и ШЖ12М4Т обнаружен максимум, обусловленный диссипацией энергии в жидком молекулярном водороде в порах металлических образцов. Показано, что рассеяние в жидком Н^ имеет вязкую природу, и характер изменения с температурой внутреннего трения в образце определяется характером температурной зависимости вязкости жидкого водорода.

7. Обнаружен пик внутреннего трения в деформированном железе, соответствующий низкотемпературному ( 30 К) дислокационному релаксационному процессу с энергией активации U =0,049+0,ООЗэВ и частотным фактором Т0 = 10^'® ± Показано хорошее согласие экспериментальных результатов с предсказаниями теоретической модели дислокационной релаксации за счет термически активируемого образования двойных перегибов на дислокационных сегментах. Исходя из экспериментально полученного значения энергии активации, оценено напряжение Пайерлса для 71-градусной дислокации в железеб'п'й 1,5«106 Па^= I,7-I0~^(j.

В заключение автор выражает искреннюю признательность и глубокую благодарность за постоянное доброжелательное внимание и руководство работой научному руководителю профессору Владимиру Иосифовичу Сарраку, а также Виктору Борисовичу Шепилову, Александру Митрофановичу Рощупкину, Людмиле Саввичне Гольтер - за помощь, поддержку и постоянный интерес к работе. Благодарю также всех сотрудников 88-й лаборатории ЦШШчермет, внимание и помощь которых способствовали выполнению работы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Гольтер, Андрей Эдуардович, 1983 год

1.В. Водород в металлах- М.: Знание, 1969-64с.

2. Верт Ч. Захват водорода в металлах,- В кн.: Водород в металлах. Т.2. Прикладные аспекты. М.: Мир, 1981, с.362-392.

3. Лунарска Э. Влияние водорода на внутреннее трение железа и сталей.- Ш, 1973, т.9, J* 6, с.26-32.

4. Schiller P. Hydrogen in Metals as Observed by Internal Friction. Nuovo Cimento, 1976, V.33B, No.1, p.226-241.

5. Birnbaum H.K. Hydrogen in Metals. Internal Fric. and Ultrasonic Attenuat.Solids. Proc. 6th Int.Conf., Tokyo, 1977« Tokyo: University of Tokyo Press, 1977, p.73-79«

6. Гельд П.В.,Рябов Р.А.Додес Е.С. Внутреннее трение в металлах содержащих водород. В кн.: Водород и несовершенства структуры металла. М.: Металлургия, 1979, с.128-159.

7. Weiner L.C., Gensamer М. The effects of aging and straining on the internal friction of hydrogen charged 1020 steel at low temperatures. Acta met., 1957» v.5, Wo.12, p.692-694-.

8. Heller W.E. Quantum effects in diffusions internal friction due to hydrogen and deuterium dissolved in oC-iron.

9. Acta met., 1961, v.9, Ho.6, p.600-613.

10. Lord А.Ж. Diffusion of hydrogen in oC-iron at about 120°K. Acta met., 1967, v.13, No.7, 1241-1244.

11. Gibala R. Internal friction in Hydrogen-Charged Iron. -Trans.Met.Soc. AIME, 1967, v.239, No.10, p.1574-1585.

12. Gibala B. On the mechanism of the Koster relaxation peak. Acta met., 1967, v.15, No.2, p.428-430.

13. Sturges C.M., Miodownik A.P. The interaction of hydrogen and dislocations in iron. Acta met., 1969, v.17, No.9,p.1197-1207.

14. Conophagos E., Plusquellec J., Azou P. Pics d'ecrais-sage dans le frottement intérieur acir charge en hydrogéné. -C.B.Acad.Sci., 1971, t.273C, No.20, p.1322-1327.

15. Miodownic A.P., Achar В.Б. The interaction of Hydrogen and Dislocations in iron and iron-nickel alloys. Proc. 1st Int.Congr. on Hydrogen in Metals, Chatenay Malabry, 1972. -Paris: Editions Sciences et Industrie, 1972, p.84-89.

16. Kikuta Y., Sugimoto K., Ochiai S., Iwata K. Hydrogen-dislocation interaction and its parallelism with hydrogen embrit-tlement. Trans.Iron Steel Inst.Jpn.,1975,v.15, Ko.2, p.87-94.

17. Рябов P.A., Кодес E.C., Бармин Н.И., Швецов Н.И., Гельд ÏÏ.B. Внутреннее трение железоникелевого сплава насыщенного водородом.- В кн.: Физические методы исследования твердого тела. Вып. I. Свердловск: УПИ, 1975, с. I07-III.

18. Takita К., Sakamoto К. Low temperature internal friction peak and hydrogen cold-work peak in deformed ОС-iron. -Scr.met., 1976, v.10, N0.5, p.399-403.

19. Sakamoto K., Shimada M., Dislocation relaxation and hydrogen cold-worked peak in deformed oC-iron. Internal Eric, and Ultrasonic Atténuât.Solids.Proc.6th Int.Conf., Tokyo, 1977. Tokyo: University of Tokyo Press, 1977, p.683-687.

20. Moser P., Dufresne J.F., Ritchie I.G. Low temperature internal friction in pure iron charged with hydrogen or deuterium. Internal Eric, and Ultrasonic Atténuât.Solids.Proc. 6th Int.Conf., Tokyo, 1977. Tokyo: University of Tokyo Press,1977, P.473-477.

21. Zielinsky A*, Lunarska E., Smialovsky. The interaction of hydrogen atoms and dislocations in irons of different purity.-Acta met., 1977, v.26, No.5, p.551-556.

22. Smialovsky M., Lunarska E., Zielinsky A. Effects of hydrogen on internal friction and free oscillation frequency of pure iron. Hydrogen in Metals. Proc.2nd Int.Congr., Paris, 1977, v.2, Oxford, 1978, p.203/1 - 2C3/8.

23. Бармин Н.Й., Кодес E.C., Рябов P.A., Гельд П.В. Низкотемпературное внутреннее трение сплава Fe- 3 % Si , содержащего водород.- ФиХОМ, 1978, № 4, с.156-158.

24. Kitchie I.G., Dufresne J.Р., Moser P. Internal friction in deformed hydrogen-doped iron. Phys.stat.sol.(a), 1979,v.52, No.1, p.331-340.

25. Бармин Н.И., Кодес E.C., Нефёдов B.M., Рябов Р.А., Гельд П.В. Исследование поведения водорода в сплавах железа с никелем.- Ш, 1980, т.54, J£ II, с.2895-2898.

26. Asano Б., Shibata М. The hydrogen-induced cold work peak of internal friction in Fe-Cr alloys. Scr.met., 1982, v.16, N.10, p.1171-1174.

27. Wada H., Sakamoto K. Effect of lattice defects on 14K -peak of internal friction of iron-hydrogen system. Internal Pric. and Ultrasonic Attenuat. Solids. Proc. 6th Int. Conf., Tokyo, 1977. Tokyo: University of Tokyo Press, 1977,p.479-483.

28. Wada Ы., Sakamoto K. Effect of hydrogen on the internal friction of pure polycrystalline iron at low temperatures. Mater. Sci. and Eng., 1981, v.50, N.2, p.263-270.

29. Кодес E.C., Рябов P.A., Гельд П.В. и др. Исследованиеводородного наклепа" в сплаве Fe + % N\ методом внутреннего трения.- В кн.: Физика металлов и их соединений. Вып.2. Свердловск: Ур.ГУ, 1974, с. 7-12.

30. Harada Y., Hasegava М. Internal friction of iron ca-thodically charged with hydrogen. J.Iron and Steel Inst.Japan, 1975, v.61, No.2, p.251-257.

31. Головин C.A., Агеев B.C., Сергеев Н.И., Левин Д.М. Изучение подвижности микротрещин в конструкционной стали при длительных испытаниях в водородосодержащих средах.- WM, 1975, т. II, № 6, с.24-27.

32. Бармин Н.И.Додес Е.С., Кошелева В.Ю. и др. Влияние водорода на внутреннее трение кремнистого железа. ФйХОМ, 1978, № 2, с. 166-169.

33. Шумилов М.А.,Вачев З.К. К вопросу о влиянии водорода на внутреннее трение железа.- Укр.физич.ж.,1968, т.13, № 2, с. 200-204.

34. Kinel J., Kozlovvski L., Moron J.W. Diffusional relaxation effects in hydrogen charged silicon iron. Phys.Stat. Sol., 1968, v. 27, No.1, K37-K39.

35. Сырых Л.М.,Кодес E.C.,Рябов Р.А.,Гельд П.В#-В кн.: Методы определения газов в металлах и сплавах. М.: МДНТП, 1971, с.72-76.

36. Рябов P.A., Сырых Л.М., Кодес Е.С., Гельд П.В. Внутреннее трение в наводороженном армко-железе.- Изв.вуз. Черная металлургия, 1974, В 5, с. I28-I3I.

37. Сырых Л.М.,Рябов P.A.,Гельд П.В. Влияние водорода на внутреннее трение кремнистого и хромистого феррита.- ФХММ, 1974, т. 10, & 4, с. 51-53.

38. Новик А., Берри Б. Релаксационные явления в кристаллах.» М.: Атомиздат, 1975.-472 с.4Qe Snoek J.L. Effect of small quantities of carbon andnitrogen on the elastic and plastic properties of iron. Phy-sica, 1941, v.8, p.711-753.

39. Постников B.C. Внутреннее трение в металлах.- М.: Металлургия, 1974.- 352 с.

40. Фаст Де.Д. Взаимодействие металлов с газами.- М.: Металлургия, 1975.- 351 с.

41. Фёлькль И,Алефельд Г. Диффузия водорода в металлах.-В кн.: Водород в металлах. T.I. Основные свойства. М.: Мир, 1981, с.379-408.

42. Baker С., Birnbaum Н.К. inelastic studies of hydrogen diffusion in niobium. Acta met., 1973, v.21, Wo.7, p. 865872.

43. Schiller P., Hijman H. The orientation dependence of low temperatures relaxation peak in Mb-O-H.- Phys.Stat.Sol. (a), 1975, v.31, N0.1, p.K77-K79.

44. Schiller P., Schneiders A. On the hydrogen relaxation pec in niobium. Phys.Stat.Sol. (a), 1975, v.29, No.1, p.375-379.

45. Dufresne J.P., Seeger A., Groh P., Moser P. Hydrogen relaxation in CX-iron. Phys.Stat.Sol.(a), 1976, v.36, No.2, p.579-589.

46. Hivert V., Groh.P., Moser P., Frank. Internal friction peaks due to dislocation relaxations in plastically deformed and/or irradiated high-purity CX-iron. Phys.Stat.Sol. (a), 1977, v. 42, No.2, p.511-518.

47. Hivert V., Groh P., Frank W., Bitchie I., Moser P. Internal friction peaks due to dislocation relaxations in plastically deformed and/or irradiated high-purity ОС -iron. Phys. Stat.Sol.(a), 1978, Ho.1, p.89-98.

48. Ниблетт Д. Пик Бордони в гранецентрированных кубических металлах.- В кн.: Физическая акустика. Т.ША. Влияние дефектов на свойства твердых тел. М.: Мир, 1969, с.99-148.

49. Криштал М.А., Головин С.А. Внутреннее трение и структура металлов:- М.: Мир, 1976,- 375 с.

50. Колачев Б.А. Водородная хрупкость цветных металлов.-- М.: Металлургия, 1966.- 256 с.

51. Schoek G. Ericcion interna debido a la interacción entre dislocaciones y átomos solutos. Acta met., 1963, v.11, No.6, p.617-622.

52. Даркен Л.С., Гурри Р.В. Физическая химия металлов,-М.: Металдургиздат, I960.- 582 с.

53. Miner В.Е., Gibala В., Hultgren F.A. An application of the Schoek Theory to the cold-work internal friction peak in iron. Acta met., 1976, v.24, N0.3, p.233-239.

54. Lunarska E., Zielinski A. An application of the Schoeks model to the cold work internal friction peak in hydrogen iron system. Scripta met., 1978, v.12, N0.8, p. 721-725.

55. Seeger A. A theory of Snoek-Koster relaxation (Gold-Work-Peak) in metals. Phys.stat.sol.(a), 1979, v.55, No.2, p.457-468.

56. Lunarska E., Zielinski A., Smialowski M. Effect of hydrogen on shear modulus of policrystalline oc -iron. Acta met., 1977, v.25, N0.3, p.305-308.

57. Bitchie I.G., Dufresne J.F., Moser P. Internal friction in deformed pure iron. Phys.stat.sol.(a), 1978, v.50,1. No.2, p.617-626.

58. Takita K., Sakamoto K. Low temperature internal friction in deformed ОС-iron. Scripta met., 1970, v.N0.5,p.-403-408.

59. Takita K., Niikura M., Sakamoto K. Effect of solute nitrogen on the low temperature internal friction peak in deformed ОС-iron. Scripta met., 1973, v.7, No.10, p.989-996.

60. Brailsford A.D. Abrupt-kink model of dislocation motion. Phys.Bev., 1961, v.122, Ho.J, p.778-786.

61. Bitchie I.G., Dufresne J.P., Moser P. The <X and ^ peaks in pure iron. Internal Frict. and Ultrasonic Attenuat. Solids. Proc. 6th Int. Conf., Tokyo, 1977* Tokyo: University of Tokyo Press, 1977, p.73-79*

62. Shimada M., Sakamoto K. Internal friction of OC-iron deformed at low temperatures. Scripta met., 1979, v.13, Ко.12, p. 1177-1182.

63. Карпенко Г.В., Крипякевич П.И. Влияние водорода на свойства стали.- М.: Металлургиздат, 1962.- 196с.

64. Мороз Л.С.,Чечулин Б.Б. Водородная хрупкость металлов.» М.: Металлургия, 1967.- 255с.

65. Морозов А.Н. Водород и азот в стали.- М.: Металлургия, 1968.- 283с.

66. Шрейдер A.B., Щпарбер И.С., Арчаков Ю.И. Влияние водорода на нефтяное и химическое оборудование.- М.: Машиностроение, 1976.- 142 с.

67. Гельд П.В., Рябов P.A. Водород в металлах и сплавах.-М.: Металлургия, 1974.- 272 с.

68. Гольтер А.Э., Милошенко В.Е. Низкотемпературное устройство для измерения внутреннего трения в тонких металлическихпластйнах.- В вн.: XXI Всесоюзное совещание по физике низких температур. Тезисы докладов. Харьков: ФТИНТ АН УССР, 1980, ч.1У, с.319-320.

69. Белоногов В.К., Золотухин И.В., Иевлев В.М., Постников B.C. Внутренее трение в пленках алюминия.- ФйХОМ, 1968, № 5, с. 163-165.

70. Пигузов Ю.В., Вернер В.Д. Метод внутреннего трения.

71. В кн.: Методы испытания, контроля и исследования машиностроительных материалов. II. Физические методы исследования металлов. М.: Машиностроение, 1971.- с. 472-491.

72. Сквайерс Да. Практическая физика.- М.: Мир, 1971 -- 246 с.

73. Шмелёв Б.А. О фракционном методе определения водорода в стали.- Заводская лаборатория, 1957, £ 3, с.263-269.

74. Гольтер А.Э., Шепилов В.Б. Внутреннее трение в наводо-роженном железе, обусловленное фазовым превращением водорода.-Письма в ЖТФ, 1981, т.7 вып.16, с.968-970.

75. Гольтер А.Э., Шепилов В.Б., Саррак В.И., Рощупкин A.M. Изучение поведения водорода в железе методом внутреннего трения. В кн.: Тезисы докладов Ш Всесоюзного семинара "Водород в металлах", Донецк: ДЛИ, 1982, с.256.

76. Гольтер А.Э., Рощупкин A.M. Внутреннее трение в твердом водороде.- Физика низких температур, 1982, т.8, № IX ,с.1225-1227.

77. Гольтер А.Э., Саррак В.И., Шепилов В.Б. Внутреннее трение в наводороженном железе при низких температурах.- ФХММ, 1983, т. 19, № 6, с. 102-104.

78. Хоникомб Р. Пластическая деформация металлов.- М.: Мир, 1972.- 408 с.

79. Печёркина Н.Д., Кетова В.П., Павлов £.А. Особенности дислокационной структура армко-железа после горячей и холодной прокатки.-ФММ, 1976, т.42, вып.З, с. 609-617.

80. Павлов В.А., Печёркина Н.Д. Разрушение армко-железа при холодной прокатке.- ФШ, 1976, т.42, вып.З, с.661-664.

81. Вольф О.С., Филиппов Ю.И., Перетурина И.А., Павлов В.А. Дислокационная структура и механические свойства армко-железа при плоской прокатке.- ФММ, 1978, т.46, вып.4, с.840-845.

82. Есельсон Б.Н., Благой Ю.П., Григорьев В.Н. и др. Свойства жидкого и твердого водорода.- М.: Изд. Стандартов, 1969- 136с.

83. Ковалёв А.И., Хацинская И.М. Определение электропроводности.- В кн.: Методы испытания, контроля и исследования машиностроительных материалов, tl. Физические методы исследования металлов. М.: Машиностроение, 1971.- с.395-406.

84. Amano М. Study of behaviour of hydrogen in niobium with particular relation to the mechanical properties. Trans. Nat.Res.Inst.Metals, 1978, v.20, Ко.4, p.253-261.

85. Малков М.П. Справочник по физико-техническим основам криогеники.- М.: Энергия, 1973.- 392 с.

86. Андроникашвили ЭЛ., Гачечиладзе И.А., Мелик-Шахназа-ров В.А. Внутреннее трение в твердом Не ФНТ» 1975, т.1, * 5, с. 635-637.

87. Фок М.В. Вопросы фотолюминесценции.- В кн.: Рекомбина-ционная люминисценция и лазерная спектроскопия. Тр. ФИАН СССР, т. 117, М.: Наука, 1980, с.80-121.

88. Silvera I.F. The solid molecular hydrogens in the condensed phase: fundamental and static properties. Rev.Mod. Phys., 1980, v.52, Ко.2, p.393-452.

89. Стеценко Ю.Б. Пластическая деформация нормального водорода, параводорода и нормального дейтерия. Автореф. дис. .кавд.физ.-мат. наук.- Харьков, 1978,- 26 с.

90. Крупский И.Н., Леонтьева A.B., Индан I.A., Евдокимова О.В. Пластическая деформация твердого водорода.- ФЕТ, Х977, т. 3, Jfe 7, с.933-939.

91. Крупский И.Н., Леонтьева A.B., Индан Л.А., Евдокимова О.В. Особенности низкотемпературной пластичности твердого водорода.- Письма в ЖЭТФ, 1976, т. 24, вып.5, с.297-300.

92. Саррак В.И., Филипов Г.А. Локальное распределение водорода и внутренние микронапряжения в структуре закаленной стали. ФШ, 1980, т.49, й I, с.121-125.

93. Саррак В.И., Филиппов I.A., Куш Г.Г. Взаимодействие водорода с ловушками и его растворимость в мартенситостарещей стали.- ФММ, 1983, т.55, & 2, с.310-315.

94. Еднерал А.Ф., Кардонский В.М., Перкас М.Д. Структурные изменения при старении безуглеродистого железоникелевого мартенсита.- В кн.: Несовершенства кристаллического строения и мартен-ситные превращения. М.: Наука, 1972, с.63-79.

95. Саррак В.И., Филиппов Г.А. Хрупкость мартенсита.-МиТОМ, 1978, J» 4, с.21-26.

96. Грибанова Л.Й., Филиппов Г .А., Саррак В.И. О взаимодействии водорода с дефектами, возникшими в процессе микропластической деформации.- ДАН СССР, 1981, т.260, J& 3, с.612-615.

97. Зегер А., Шиллер П. Перегибы на дислокациях и их влияние на внутреннее трение в кристаллах.- В кн.: Физическая акустика. Т.ША. Влияние дефектов на свойства твердых тел. М.: Мир, 1969, с.428-573.

98. Engelke H. Ein diffusionsmodell zur behandlung der doppelkinkrelaxation in kubich-flächenzentrierten metallen. -Phys.stat.sol.(a), 1969, v.36, No.1, p.231-244.

99. Engelke H. Deutung sekundärer eigenschaften des Bordoni-maximims in einem mehrmuldenmodell doppelkinkrelaxation.-Phys.stat.sol.(a), 1969, v.36, Ho.1, p.245-259.

100. Зегер A., Донт Г., Пфафф Ф. Механизм низкотемпературной механической релаксации в деформированных кристаллах.- В кн.: Ультразвуковые методы исследования дислокаций. М.: Изд. Иностр. лит., 1963, с.75-94.

101. Донт Г. К теории низкотемпературного максимума внутреннего трения в металлах.- В кн.: Ультразвуковые методы исследования дислокаций. М.: Изд. Иностр.лит., 1963, с. 95-117.

102. Коттрелл А.Х. Дислокации и пластическое течение в кристаллах. М.: Металлургиздат, 1958.- 268 о.

103. Фрвдель Ж. Дислокации.- М.: Мир, 1967- 644 с.