Микромеханизмы водородного охрупчивания нанокристаллических материалов Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 539.3

МИКРОМЕХАНИЗМЫ ВОДОРОДНОГО ОХРУПЧИВАНИЯ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

© Н.М. Власов

Региональный образовательный научный центр МГОУ, г. Подольск Московской области, Россия, е-таП: tsolga@list.ru

Ключевые слова: внутренние напряжения; диффузионная кинетика; водородное охрупчивание.

Исследовано влияние внутренних напряжений на процесс водородного охрупчивания наноматериалов. Рассмотрено образование микротрещин по границам зёрен вследствие давления молекулярного водорода в полостях и образования гидридных фаз с другим параметром кристаллической решётки.

Характерной особенностью наноматериалов является наличие разветвленной сети структурных дефектов: границы зерен, тройные стыки границ зерен, узлы тройных стыков. С позиции наномеханики такие дефекты моделируют полями внутренних напряжений. При торможении зернограничного проскальзывания в окрестности тройных стыков границ зерен формируются полости цилиндрической формы. Атомы водорода мигрируют в объем полости вследствие градиентов концентрации и поля напряжений тройного стыка. Давление молекулярного водорода в полостях расклинивает границы зерен с образованием микротрещин. Если концентрация атомов водорода превышает предел растворимости при данной температуре, то в некоторых металлах образуются гидриды. Их объемные изменения также приводят к образованию микротрещин вдоль границ зерен. Это обусловлено тем, что прочность материала по границам зерен существенно меньше по отношению к материалу зерна. Поэтому окружные напряжения раскрывают границы зерен с образованием микротрещин. Модельная схема разрушения наноматериалов в окрестности тройных стыков границ зерен показана на рис. 1.

Упругой моделью тройного стыка границ зерен является клиновая дисклинация [1]. Первый инвариант тензора напряжений этого структурного дефекта имеет

логарифмическую зависимость от радиальной координаты

юц(і + V) 2п(і - V)

1 + 21п— +

2г2

я я2 - Г(2

1п-°

я

(1)

где т - модуль вектора поворота дисклинации, ^ - модуль сдвига, V - коэффициент Пуассона, г0 и Я - внутренний и внешний радиусы дисклинации. Величина г0 сопоставима с характерным размером границы зерна, а значение Я составляет половину размера зерна наноматериала. Если в окрестности тройного стыка образуется цилиндрическая полость, то под г0 понимают радиус этой полости.

Энергия связи атома водорода с полем напряжений ои определяется известным соотношением [2]

к = -2л. 5и, 3

(2)

где 8и - изменение объема материала при размещении атома водорода. Кинетика диффузионной миграции атомов водорода описывается уравнением параболического типа при соответствующих начальном и граничном условиях [3]

Рис. 1. Модельная схема разрушения наноматериалов: а) давление молекулярного водорода Р, б) образование гидрида

=

1 dC л _

---------= AC +

D dt

C(r,0) = Co,

V(CVV ) kT '' C(ro,t) = 0,

ro < r < Д, (3)

C(R,t) = C0,

где D - коэффициент диффузии атомов водорода, k -постоянная Больцмана, T - абсолютная температура, С0 - исходная концентрация атомов водорода. Краевое условие при г = г0 физически означает, что на внутренней границе полости атомарный водород превращается в молекулярный и потому его концентрация равна нулю. Поскольку соотношение (2) имеет логарифмическую зависимость от радиальной координаты, то задача (3) допускает получение точного аналитического решения. Простота решения объясняется тем, что функция V является гармонической (Д V = 0), а ее градиент обратно пропорционален радиусу в полярной системе координат (V ~ 1/г) . Из решения задачи (3) получаем распределение концентрации атомов водорода в окрестности полости и далее определяем диффузионный поток. Так как число молекул водорода существенно меньше числа вакансий в полости, то для определения давления молекулярного водорода применимы законы идеального газа. Соответствующее выражение приведено в работе [4]

P = DCo N okT

(

т +

3D

(4)

где N0 - число атомов в единице объема, т - время миграции атомарного водорода в полость. Для D = = 10-12 м2/с, Я/г0 ~ 102, г0 ~ 10 нм, С0 = 10-5 ат., N0 =

= 1029 ат./м3, ЬТ = 10-20 Дж, т = 102 с получим р =

= 100 МПа. Такое давление способно «раскрывать»

соприкасающиеся с полостью границы зерен вплоть до образования микротрещин. Это есть один из возможных механизмов охрупчивания и разрушения наноматериалов в среде водорода.

Водородное охрупчивание некоторых металлов (например, циркония) связано с образованием гидрид-ных фаз. Если концентрация атомов водорода в окре-

стности тройного стыка границ зерен наноматериала превышает предел растворимости при данной температуре, то происходит образование зародыша гидрида. Его последующий рост лимитируется диффузионным подводом атомов водорода. При этом на перемещающейся границе гидрида концентрация атомов водорода меняется скачкообразно: С = С1 для новой фазы и С = С2 в окружающей матрице (С > С2, С2 < С0 , где С0 - исходная концентрация атомов водорода). Влияние поля напряжений заключается в том, что помимо градиента концентрации атомы водорода дополнительно переносятся вследствие градиента поля напряжений тройного стыка границ зерен.

Таким образом, возможными механизмами водородного охрупчивания и разрушения наноматериалов являются следующие: давление молекулярного водорода в полостях и образование гидридных фаз с другим параметром кристаллической решетки. Это происходит в окрестностях тройных стыков границ зерен наноматериалов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Власов Н.М., Гонтарь А.С., Зазноба В.А. Распад твердого раствора при больших пластических деформациях // ЖТФ. 2001. Т. 71. Вып. 5. С. 63-66.

2. Теодосиу К. Упругие модели дефектов в кристаллах / пер. с англ. М.: Мир, 1985. 351 с.

3. Власов Н.М., Федик И.И. Расслоение твердого раствора в поле остаточных напряжений // ДАН. 2002. Т. 382. № 2. С. 186-189.

4. Власов Н.М., Федик И.И. Водородное охрупчивание сплавов циркония // Металловедение и термическая обработка металлов. 2003. № 8. С. 48-51.

Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.

Vlasov N.M. Micromechanisms of hydrogen embrittlement of nanomaterials.

Influence of internal stresses on process of hydrogen embrittlement of nanocrystal materials is investigated. Formation of microcracks on boundaries of grains owing to pressure of molecular hydrogen in cavities and formations of hydrogen phases with other parameter of the crystal lattice are considered.

Key words: internal stresses; diffusion kinetics; hydrogen embrittlement.