Формоизменение палладиевой пластинки при одностороннем насыщении водородом и формирование градиентного Pd-H сплава Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 539.3

ФОРМОИЗМЕНЕНИЕ ПАЛЛАДИЕВОЙ ПЛАСТИНКИ ПРИ ОДНОСТОРОННЕМ НАСЫЩЕНИИ ВОДОРОДОМ И ФОРМИРОВАНИЕ ГРАДИЕНТНОГО РМ СПЛАВА

© Е.Н. Любименко, М.В. Гольцова

Донецкий национальный технический университет, г. Донецк, Украина, e-mail: [email protected]

Ключевые слова: водородоупругость; формоизменение; водородо-концентрационные напряжения; градиентный сплав; насыщение.

Исследовано формоизменение Р^пластины при её одностороннем насыщении водородом в широком интервале температур и давлений. Обсуждены физические причины индуцированного водородом обратимого формоизменения Р^пластины.

Внутренние напряжения, возникающие в палладии при насыщении его водородом, могут быть двух типов: водородо-фазовые (обусловлены разностью удельных объёмов превращающихся гидридных фаз) либо водо-родо-концентрационные (ВК) напряжения. Последние обусловлены градиентами концентрации водорода и, соответственно, градиентом расширения кристаллической решётки металла. Если градиентные ВК-напряжения не превышают предела пропорциональности металла, то имеет место явление водородоупруго-сти [1].

В настоящей работе была поставлена задача изучить формоизменение палладиевой пластинки под воздействием водородных концентрационных напряжений в пределах а-области системы Р(!-Н.

Для решения поставленной научной задачи создали водородо-вакуумную установку, которая позволила выполнить исследования до 350 оС и в интервале рабочих давлений от 0,01 до 2,5 МПа [2]. Образец для исследования (68x5,5x0,27 мм) выполнен из палладия чистотой 99,98 % и с одной стороны электролитически покрыт медью. В целом было выполнено 16 экспериментов при давлениях водорода от 0,03 до 0,3 МПа и при температурах от 110 до 350 °С.

В первой серии экспериментов изучали влияние давления водорода при постоянной температуре. Обра-

зец в рабочей камере нагревали в вакууме до температуры Т = 220 °С. Затем в рабочую камеру при постоянной температуре подавали водород до заданного давления в течение Дтн (колонка 2 табл. 1). Одновременно регистрировали на видеоплёнку изменения положения стрелы прогиба образца во времени. По прошествии времени Дттах изгиб пластинки достигал своего максимального значения (утах) и далее пластинка распрямлялась, достигая за время эксперимента некоторого стационарного состояния (уст). После стабилизации положения торца пластинки водород откачивали из рабочей камеры, регистрируя обратное формоизменение образца, и снова напускали водород, до следующих конечных значений, повторяя порядок эксперимента и регистрируя результаты. Условия проведения экспериментов и их результаты сведены в таблице 1.

Подчеркнем, что уст составляет примерно 6 % (см. табл. 1) от величины максимального изгиба умах = = 3,7 мм. Качественно аналогичные временные зависимости у = ХО были получены и при других давлениях водорода (см. табл. 1, эксперименты 1 и 3, 4). Однако в целом наблюдалась чёткая однотипная картина. При этом при постоянной температуре характер и величины изгиба пластинки зависели от конечного давления водорода.

Таблица 1

Условия и результаты экспериментов по изучению влияния величины давления водорода на формоизменение Р(!-пластинки

№ Т, °С Рн2, МПа с Д Дтмах с Умах, мм Дтст° с усm, мм ■Уст 100,% Умах

1 2 3 4 5 6 7 8

1 220 0,03 2,2 17,4 2,5 160 0,2 8,8

2 220 0,10 7,0 10,4 3,7 392 0,2 6,2

3 220 0,26 15,0 14,6 6,5 1500 0,1 1,3

4 220 0,30 5,6 10,1 7,9 840 0,0 0,0

Рис. 1. Температурные зависимости максимального (1) и стационарного (2) формоизменения Р^пластины при Рн2 = = 0,03 МПа

Обсудим далее эти экспериментальные результаты: максимальный изгиб пластинки, как можно полагать, соответствует максимальному уровню возникших внутренних градиентных напряжений. Это хорошо иллюстрирует столбец 6 таблицы 1: чем больше конечное давление подаваемого водорода, тем выше максимальный изгиб пластинки. С течением времени водород все более равномерно распределяется по сечению образца, градиент расширения кристаллической решётки уменьшается, соответственно уменьшаются внутренние ВК градиентные напряжения, и образец возвращается к первоначальной форме. Несомненно, что сам факт «распрямления» пластинки свидетельствует о том, что возникающие градиентные напряжения не вызывали пластической необратимой деформации металла.

В связи с этим далее были проведены эксперименты по изучению поведения палладиевой пластины при её одностороннем насыщении водородом в широком интервале температур (110-350 °С) в условиях, когда конечное давление водорода постоянно (Рн2 =

= 0,03 МПа). Результаты этих экспериментов обобщены на рис. 1. Как видно из этого рисунка, с ростом температуры вначале максимальный изгиб пластинки умах закономерно увеличивается, от 1,9 при 110 °С, достигая максимума 2,5 мм при 240 °С. В дальнейшем с повышением температуры от 240 до 350 °С умах закономерно уменьшается вплоть до 1,8 мм.

Иначе ведёт себя остаточная стационарная деформация образца: при 110 °С она оказывается весьма большой и достигает ~ 30 % от умах при этой температуре. С ростом температуры до 150 °С умах весьма интенсивно уменьшается. Затем в интервале температур (150-240 °С) умах флюктуирует, от уст = 8,9 до уст = = 9,3 %, что является следствием сопутствующих экспериментальных факторов. С дальнейшим ростом температуры выше 260 °С стационарное остаточное формоизменение вполне закономерно уменьшается, становясь равным нулю при температурах 320 и 350 °С. Таким образом, при высоких температурах явление индуцированного водородом изгиба пластинки становится полностью обратимым даже при столь малом давлении водорода (0,03 МПа, сравните с результатами экспериментов при 220 оС).

Описанные выше результаты находятся в качественном согласии с выводами теоретической работы [3]. Таким образом, обобщая, можно сказать, что экспериментальные результаты, представленные на рис. 1, свидетельствуют, что с ростом температуры сильно изменяется ход формирования и свойства временного когерентного упруго напряжённого градиентного материала при насыщении палладия водородом.

ЛИТЕРАТУРА

1. Progress in Hydrogen treatment of materials / её. by V.A. Goltsov. Donetsk: Coral Gables: «Kassiopeya Ltd.», 2001. 543 p.

2. Гольцов В.А., Глухова Ж.Л., Любименко Е.Н. Новая экспериментальная установка, методика и результаты исследования водородоупругой деформациии палладиевой пластины // Фізико-хімічна мехашка матеріалів. 2009. № 5. С. 55-60.

3. Glukhova Zh.L., Goltsov V.A., Lyubimenko E.N. The mathematical modeling of the hydroelastic effect of slowing down of the diffusion processes in metal-hydrogen systems // Int. Journal of Nuclear Hydrogen Production and Applications. 2008. V. 1. № 4. Р. 334-342.

Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.

Lyubimenko E.N., Goltsova M.V. The form changing of рalladium plate during mono-side hydrogenation and formation of gradient Pd-H alloy.

The form-changing of Pd-plate during its mono-side saturation with hydrogen in broad temperature and pressure interval is researched. The physical causes of reversible hydrogen-induced shape change of palladium plate bending are discussed.

Key words: hydrogen elasticity; form- changing; hydrogen-concentration stress; gradient alloy; saturation.