Фазово-структурні перетворення і водневофазовий наклеп в сплавах системи паладій-водень у районі куполу двофазної області

Жиров Г.И. Структурно-морфологические особенности гидридных фазовых превращений в сплавах системы палладий-водород / Г.И. Жиров, М.В. Гольцова // Международная конференция «Фазовые превращения и прочность кристаллов»: 17-21 ноября 2008 г.: труды. Черноголовка, Москва, 2008. - С. 98.

Анотація

Жиров Г.І. Фазово-структурні перетворення і водневофазовий наклеп у сплавах системи паладій-водень у районі куполу двофазної області. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за фахом 01.04.13. - «Фізика металів». - Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут». - Харків, 2009.

Дисертація присвячена актуальній для фізики металів проблемі, а саме - вивченню закономірностей фазово-структурних перетворень і водневофазового наклепу паладію та сплавів паладій-водень у районі куполу двофазної області. водень паладій водневофазовий наклеп

Для реалізації поставленого у роботі завдання було сконструйовано експериментальну воднево-вакуумну устаткування ВВУ-3 та модернізовано устаткування ВВУ-2.

Методичний підхід щодо рішення поставлених завдань полягав у наступному. Відпалені зразки паладію в устаткуваннях (ВВУ-2 або ВВУ-3) спочатку насичували воднем до заданих концентрацій. Потім здійснювали водневий вплив таких параметрів, при яких забезпечується розвиток у сплавах PdH_x очікуваних фазово-структурних перетворень. Стан металу до та після водневої обробки, а також одержання заданого відпаленого сплаву PdH_x оцінювали металографічними методами з відеозаписом і комп'ютерним покадровим аналізом; по зміні механічних властивостей та за допомогою рентгеноструктурного аналізу.

У результаті проведених досліджень було експериментально встановлено ініційовані воднем незворотні та зворотні структурні ефекти: ефект зсуву зерен; виникнення стаціонарних і рухомих солітоноподібних, когерентних, тимчасових мікровипинань.

У районі куполу двофазної області системи Pd-H вивчено гідридні перетворення у приповерхніх шарах сплавів PdH_x й експериментально встановлено їхні структурно-морфологічні закономірності.

Встановлено закономірності водневофазового наклепу паладію залежно від температури розвитку ізотермічних гідридних перетворень: зі зниженням температури від Т_кр = 292^оС до 170^оС водневофазовий наклеп інтенсифікується, паладій та гідрид паладію закономірно та більш сильно зміцнюється, а його тонка структура подрібнюється при збереженні однак середньої величини зерна.

Вперше експериментально показано, що інтенсивність водневофазового наклепу паладію і гідриду паладію при гідридних - перетвореннях у головному визначається величиною різниці питомих обсягів - та -фаз, що перетворюються.

Встановлені експериментальні закономірності знаходять несуперечливе пояснення з єдиних позицій, заснованих на уявленнях про дифузійно-кооперативну природу систем метал-водень, у яких у нерівноважних умовах виникають, перерозподіляються та релаксують водневі концентраційні (ВК-) і водневофазові (ВФ-) напруження, взаємообумовлені і взаємозалежні з дифузійною перебудовою водневої підсистеми, у якій особливо важливу роль грає, крім фіковської дифузії, висхідна дифузія водню.

Ключові слова: паладій, водень, система паладій-водень, гідридні фазово-структурні перетворення, водневофазовий наклеп, зміцнення, тонка структура.

Summary

Zhirov G. I. Phase-structural transformations and hydrogen phase naklep in the palladium-hydrogen system alloys in the cupola region of the two phase area. - Manuscript.

Thesis for the degree of Doctor of Philosophy (Ph.D) in Physics Mathematics on specialty 01.04.13 - «Metal physics». - National Science Center «Kharkov Institute of Physics and Technology», Kharkov, 2009.

Dissertation is dedicated to actual problem of metal physics, - the investigations of the phase-structural laws of hydride transformations and hydrogen phase naklep of palladium and the Pd-H system alloys in the cupola region of the two phase area.

For the realization of the assigned task a new hydrogen-vacuum device HVD-3 was assembled and another one HVD-2 was modernized.

The technical approach for the dissertational problem solving was the following.

Annealed palladium specimens for the first time were saturated by hydrogen up to defined concentrations (in HVD-2 or HVD-3). Further the hydrogen shock has been done to such parameters when the anticipated phase-structural transformations were proceeding in the PdH_x alloys. The metal state after hydrogen treatment was analyzed by: metallographic methods with video recording and computer frame-by-frame analysis, mechanical properties, X-ray analysis.

As results of the investigations the irreversible and reversible effects were experimentally determined: the grain shift effect, effects of appearing stationary and moving soliton-like, coherent, temporary micro swellings.

In the cupola area of two phase Pd-H system the hydride transformations in near-surface layers of PdH_x alloys were investigated and their structural and morphological laws were determined.

Subject to temperature evolution of isothermal hydride transformations the laws of palladium hydrogen phase naklep were found: with temperature lower from Т_cr = 292^оС до 170^оС the hydrogen phase naklep was intensifying, as palladium as palladium hydride is naturally hardened and its fine structure is broken but with same average grain size.

It was firstly shown that the intensity of palladium and palladium hydride hydrogen phase naklep at - transformations mainly is determined by the specific volume value of transforming - and -phases.

Established experimental laws are clearly explained by diffusion-cooperative nature of metal-hydrogen systems in which in nonequilibrium conditions hydrogen concentration (HC-) and hydrogen phase (HP-) stresses are appearing, are rearranging and relaxing. And the stresses are interconditionaly and are interdependent from diffusion rearrangement of hydrogen subsystem in which a special role the hydrogen uphill diffusion are playing apart from Flicks' diffusion.

Key words: palladium, hydrogen, palladium-hydrogen system, hydride phase transformations, hydrogen phase naklep, hardening, mechanical properties, fine structure.

Аннотация

Жиров Г.И. Фазово-структурные превращения и водородофазовый наклеп в сплавах системы палладий-водород в районе купола двухфазной области. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01. 04.13. - «Физика металлов». - Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт». - Харьков, 2008.

Диссертация посвящена актуальной для физики металлов проблеме, а именно - изучению закономерностей фазово-структурных превращений и водородофазового наклепа палладия и сплавов палладий-водород в районе купола двухфазной области.

Для решения поставленной в работе задачи была сконструирована экспериментальная водородо-вакуумная установка ВВУ-3 и модернизирована установка ВВУ-2, позволившие исследовать фазово-структурные превращения и водородофазовый наклеп в палладии и сплавах PdH_x при их водородной обработке в районе купола двухфазной области системы Pd-H.

Методический подход для решения поставленных задач состоял в следующем. Отожженные образцы палладия в установках (ВВУ-2 или ВВУ-3) сначала насыщали водородом до заданных значений концентраций. Затем осуществляли водородное воздействие таких параметров, при которых обеспечивается развитие в сплавах PdH_x ожидаемых фазово-структурных превращений. Состояния металла до и после водородной обработки, а также получение заданного отожженного сплава PdH_x оценивали: металлографическими методами с видеозаписью и покадровым анализом, по изменению механических свойств и с помощью рентгеноструктурного анализа.

В результате проведенных исследований были экспериментально установлены сформулированные ниже закономерности. Экспериментально было установлено, что при “резком” насыщении водородом палладия и однофазных сплавов PdH_x на предварительно полированной поверхности металла имеют место индуцированные водородом необратимые и обратимые структурные эффекты: эффект сдвига зерен; возникновения стационарных и движущихся солитоноподобных, когерентных, временных микро-выпучиваний.

В районе купола двухфазной области системы Pd-H изучены гидридные превращения в приповерхностных слоях сплавов PdH_x и экспериментально установлены их структурно-морфологические закономерности. При низких температурах (относительно Т_кр = 292^оС) гидридное фазовое превращение реализуется по классическому механизму зарождения и роста со структурно-морфологическими особенностями, определяемыми способом инициации превращения:

- при инициации переохлаждением в процессе развития превращения работает механизм достижения и срыва термо-баро-упруго-диффузионного (ТБУД) равновесия превращающихся фаз в результате чего наблюдается периодическая смена структурного механизма превращения.

- при инициации повышением давления водорода развитие гидридного превращения путем зарождения и роста массивных -выделений сопровождается сдвигом зерен и реализацией сопутствующего механизма роста -фазы от «острых» выделившихся границ зерен.

Установлены закономерности водородофазового наклепа палладия в зависимости от температуры развития изотермического гидридного превращения: с понижением температуры от Т_кр = 292^оС до 170^оС водородофазовый наклеп интенсифицируется, палладий закономерно и все более сильно упрочняется, а его тонкая структура измельчается при сохранении однако средней величины зернена.

Впервые получен отожженный гидрид палладия (PdH_0,69) и установлено, что он является мало прочным и высоко пластичным материалом с весьма совершенной тонкой структурой. Установлены закономерности упрочнения гидрида палладия при водородофазовом наклепе и измельчения его тонкой структуры при понижении температуры гидридного превращения.

Впервые экспериментально показано, что интенсивность водородофазового наклепа палладия и гидрида палладия при гидридных - превращениях в главном определяются величиной разности удельных объемов превращающихся - и -фаз.

Установленные экспериментальные закономерности находят непротиворечивое объяснение с единых позиций, основанных на представлениях о диффузионно-кооперативной природе систем металл-водород, в которых в неравновесных условиях возникают, перераспределяются и релаксируют водородные концентрационные (ВК-) и водородофазовые (ВФ-) напряжения, взаимообусловленные и взаимосвязанные с диффузионной перестройкой водородной подсистемы, в которой особо важную роль играет, кроме фиковской диффузии, восходящая диффузия водорода.

Ключевые слова: палладий, водород, система палладий-водород, гидридные фазово-структурные превращения, водородофазовый наклеп, упрочнение, тонкая структура.

Размещено на Allbest.ru