CC BY
7NONRENEABLE ENERGY
АТОМНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
ATOMIC ENERGY
ТЕРМО- И РАДИАЦИОННО-СТИМУЛИРОВАННЫЕ ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В СПЛАВАХ ВНЕДРЕНИЯ
THERMO- AND RADIATION-STIMULATED PHASE TRANSFORMATION IN ALLOYS INCORPORATED
Статья поступила в редакцию 31.03.15. Ред. per. № 2214 The article has entered in publishing office 31.03.15. Ed. reg. No. 2214
УДК 539.27
КОРРЕЛЯЦИЯ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ С КОНЦЕНТРАЦИОННОЙ ЗАВИСИМОСТЬЮ ПАРАМЕТРОВ РЕШЕТКИ ТВЕРДОГО РАСТВОРА ВНЕДРЕНИЯ TiNxHy
И. Хидирое, В.В. Гетманский, С.Дж. Рахманов, И.Л. Эргашее*
Институт ядерной физики АН Республики Узбекистан
Узбекистан 100214, Ташкент, ул. Бобура, 14Б-57 тел.: 8-10-998712-289-34-64; e-mail: [email protected] * Каршинский Государственний университет Узбекистан 731100, г. Карши, ул. Кучабог, 17 тел.: +99-891-215-59-82
doi: 10.15518/isjaee. 2015.07.005 Заключение совета рецензентов: 09.04.15 Заключение совета экспертов: 16.04.15 Принято к публикации: 23.04.15
B работе изучена концентрационная зависимость параметров решетки твердого раствора внедрения TiNxH0,20 (х = 0,12 - 0,50). Установлена нелинейная концентрационная зависимость параметров базисной гексагональной решетки в исследованной области концентрации азота: она претерпевает перегиб в двух местах и состоит из трех частей, что свидетельствует об изменении характера межатомной силы взаимодействия атомов. Обнаружена корреляция между концентрационной зависимостью параметров решетки твердого раствора внедрения и фазовыми превращениями, протекающими при низкотемпературном отжиге.
Ключевые слова: параметр решетки, твердый раствор внедрения TiNxH020, концентрационная зависимость фазовых превращений, корреляция.
PHASE TRANSFORMATION CORRELATION WITH THE CONCENTRATION DEPENDENCE OF THE LATTICE PARAMETERS OF TiNxHy SOLID SOLUTION
I. Khidirov, V.V. Getmanskiy, S.J. Rakhmanov, I.A. Ergaschev*
Institute of Nuclear Physics Uzbekistan Academy of Sciences 14E-57 Bobur Str., Tashkent, 100214 Uzbekistan Republic ph.: 8-10-998712-289-34-64; e-mail: [email protected]
*Karshi State University 17 Kuchabog Str., Karshi, 731100 Uzbekistan Republic ph.: +99-891-215-59-82
№ 07 (171) Международный научный журнал
L^mJ 1 \ Н ЕЕ " 20 14 ) «Альтернативная энергетика и экология»
2015 © Научно-технический центр «TATA», 2015
Referred 09 April 2015 Received in revised form 16 April 2015 Accepted 23 April 2015
The paper studies the concentration dependence of the lattice parameters of the TiNxH0.2o interstitial solid solution (x = 0.12 - 0.50) and establishes the nonlinear concentration dependence of the parameters of basic hexagonal lattice in the investigated area of nitrogen concentrations. This one bends in two places and consists of three parts that testifies to change of the character of interatomic interaction force. The paper detects the correlation between the concentration dependence of the lattice parameters of the solid solution and phase transformations taking place in low-temperature annealing.
Keywords: lattice parameter, TiNxH020 interstitial solid solution, concentration dependence, phase transformation, correlation.
Сведения об авторе: д-р физ.-мат. наук, профессор, заведующий лабораторией структурных Хидиров И. превращений в твердых телах Института ядерной
КЫШтоу I. физики АН РУ, Институт ядерной физики АН
РУз.
Образование: Ташкентский государственный педагогический университет им. Низами (1969).
Область научных интересов: водородное материаловедение и водородная энергетика, аккумулирование водорода в кристаллах, структурные фазовые превращения в сплавах внедрения (в карбидах, нитридах и гидридах металлов).
Публикации: более 200 статьей, 3 монографии, 4 патента.
Information about the author: DSc (physics and mathematics) (1998), professor (2007), Head of the laboratory of the Structural Transformations in Solids States of the Institute of Nuclear Physics of Uzbekistan Academy of Sciences, Institute of Nuclear Physics of Uzbekistan AS.
Education: Tashkent State Pedagogical University (1969).
Research area: hydrogen materials science and hydrogen energy, storage of hydrogen in crystals, structural phase transitions in interstitial alloys (carbides, nitrides, hydrides of metals).
Publications: more than 200 articles, 3 monograph, 4 patents.
M, - G -'м1
с о
Сведения об авторе: старший научный со-Гетманский В.В. трудник Института ядерной физики АН РУз.
ОеШатЫу У.У. Образование: Ташкентский электро-
технический институт связи (1982).
Область научный интересов: водородное материаловедение и водородная энергетика, аккумулирование водорода в кристаллах, автоматизация экспериментов.
Публикации: более 30 статей.
Information about the author: Senior Researcher, Institute of Nuclear Physics of Uzbekistan AS.
Education: Tashkent Electrotechnical Institute of Communications (1982).
Research area: hydrogen materials science and hydrogen energy, storage of hydrogen in crystals, automation of experiments.
Publications: more than 30 articles.
Введение
Высокая температура плавления, малый удельный вес, высокая прочность, коррозионная стойкость во многих агрессивных средах и морской воде сделали титан почти универсальным и необходимым материалом для многих конструкций в различных отраслях техники [1]. Титан и сплавы на его основе и в настоящее время не потеряли свое практическое значение.
Как известно, водород - одна из самых вредных примесей в титане, которую трудно устранить, и не может служить легирующим для него элементом, поэтому устранение вредного влияния водорода на свойства титана имеет большое значение. Одним из таких методов является вакуумный отжиг титана и его сплавов. В некоторых случаях влияние водорода нейтрализуют, связывая его в фазы более стабильные, чем простые гидриды титана: нитридогидриды
и карбогидриды и др. Они отличаются более высокой стабильностью, чем двойные гидриды титана [1]. В связи с этим представляет интерес исследование структурных характеристик и свойств этих сплавов.
Анализ данных литературы [2-5] показывает, что в твердом растворе внедрения ТМхНу при различных концентрациях азота и фиксированной концентрации водорода наблюдается ряд фазовых превращений при понижении температуры (Т < 1 000 0С), что может свидетельствовать об изменении межатомных сил взаимодействия в зависимости от концентрации азота. Если это так, то данное изменение должно сказываться на характере концентрационной зависимости параметров решетки. Цель настоящей работы -установить концентрационную зависимость параметров решетки твердого раствора внедрения Т1ЧхНу и корреляцию между ней и фазовыми превращениями в области гомогенности твердого раствора внедрения.
-О
N
№ 07 (171 > Международный научный журнал
L^mJ 1 \ Ü BE " 2015 ' «Альтернативная энергетика и экология» 2015 © Научно-технический центр «TATA», 2015
Невозобновляемая энергетика. Атомная энергетика. Термо- и радиационно-стимулированные фазовые превращения.
Экспериментальная часть
Для этой цели были определены параметры решетки образцов твердого раствора внедрения Т11ЧхНу с концентрацией атомов азота 0,12 < х < 0,50. Концентрации атомов водорода в образцах имели близкие значения в пределах ошибки их определения методом химического анализа (около 5 %) ив среднем составляли у и 0,20. Синтез осуществляли методом самораспространяющегося высокотемператур-
ного синтеза [6] из порошков Т марки ПТМ, содержащего 0,35 мас. % водорода в атмосфере азота. Концентрации атомов неметаллов в сплавах определили методом химического анализа. Согласно результатам рентгенофазового анализа, образцы относятся к гексагональной сингонии (а-фаза, пространственная группа - п. г. Р63/штс), являются однофазными и однородными по составу. На рис. 1 представлена рентгенограмма твердого раствора внедрения ТЮ0,40Н0,20.
Рис. 1. Рентгенограмма твердого раствора внедрения TiN0,40H0,20 Fig. 1. X-ray photograph of the TiN040H020 interstitial solid solution
На рис. 2 представлена концентрационная зависимость параметров решетки образцов [6]. Как видно, она имеет нелинейный характер. Для всех составов отношение параметров решетки с/а в пределах ошибки определения остается постоянным: с/а г 1,61. По-видимому, это можно объяснить тем, что атомы азота и водорода в решетке а-Т создают упругое изотропное напряжение по всем направлениям, как в решеточном газе. Нелинейную концентрационную зависимость параметров решетки можно объяснить изменением характера межатомных сил взаимодействия в области гомогененности твердого раствора. Как видно на рис. 2, концентрационная зависимость параметров решетки претерпевает перегиб в двух местах и состоит из трех частей.
Рис. 2. Зависимость параметров решетки а и с твердого раствора TiNxHy от концентрации азота. Вертикальные штрихи показывают концентрационные границы изменения а и с. Касательные штрихи показывают изменение хода
концентрационной зависимости а и с Fig. 2. The dependence of the lattice a and c parameters of TiNxHy interstitial solid solution from nitrogen concentration.
Vertical dotted lines show the concentration boundaries of a and c parameters change. Tangents dotted lines show the variation of the concentration dependence of a and c
№ 07 (171) Международный научный журнал Г-1"! > 1 \ Н ЕЕ " 20 14 ) «Альтернативная энергетика и экология»
2015 © Научно-технический центр «TATA», 2015
Часть I (в интервале 0,12 < х < 0,23) соответствует образованию ближнего порядка с положительным параметром в первой координационной сфере (#1 = 0,098 > 0), который был определен в [2]. Часть II (интервал 0,23 < х < 0,26) соответствует следующим фазовым превращениям: беспорядок (а-фаза)
-> а-фаза с ближним порядком (дг <
»1170K
0) ^
»1020K
»870 K
-> дальний порядок (а'-фаза)
■> распад (а'-фаза + у-фаза), которые наблюдались в [3]. В этой части параметр ближнего порядка в первой координационной сфере имеет отрицательное значение (д = -0,061 [2]). Часть III (в интервале 0,26 < х < 0,50) соответствует фазовому пе-
/ г л, ч V «1070-970К . ,
реходу: порядок (а'-фаза) <-> порядок (у-
фаза), который был обнаружен в [3]. Интересно отметить, что даже изменение типа ближнего порядка для ТШхНу [2] коррелирует с концентрационной зависимостью параметров решетки а и с, в которой наблюдается перегиб примерно с концентрации ™0,23Н0,20 (рис. 2). Линейная концентрационная зависимость параметров решетки переходит из части
I в части II и III с различной крутизной наклона относительно оси абсциссы. В части II атомы металлоидов в образовании сплава при понижении температуры участвуют не как статистически расположенные атомы внедрения в междоузлиях кристаллической решетки (п.г. Р63/ттс) а-Л (а-фаза), а как полноценные составляющие компонентов сплава. При этом они, занимая свои конкретные позиции, приводят к другой фазе, а именно, упорядоченной а'-фазе (п. г. Р 3 т1), отличной от кристаллической решетки а-Л. В части III образующаяся моноклинная у-фаза при дальнейшем понижении температуры описывается в п. г. С2/т. Пространственные группы Р 3 т1 и С2/т фазы генетически связаны с кристаллической решеткой а-Л (с а-фазой). Если а'-фаза формируется как результат упорядочения атомов внедрения в междоузлиях ГПУ решетки а-Л, то у-фаза образуется в результате деформации кристаллической решетки упорядоченной а'-фазы из-за термоупругого напряжения при понижении температуры.
Судя по концентрационной зависимости параметров решетки и фазовым превращениям, происходящим при понижении температуры, можно предположить, что в области концентрации азота 0,12 > КУЛ < 0,23 в ближайших координационных сферах преобладают силы взаимодействия между одноименными атомами. Это обуславливает ближний порядок с положительным параметром. Следовательно, в этом интервале концентрации азота наблюдается тенденция к распаду. Однако процесс распада сильно замедлен из-за низкой температуры распада, поэтому при этих концентрациях процесс распада не наступает даже после длительного низкотемпературного отжига [5].
В области концентрации 0,23 < М/Л < 0,26 силы взаимодействия между разноименными атомами в
достаточной степени преобладают над силами одноименных атомов на дальних расстояниях. Это служит причиной появления дальнего порядка в расположении атомов неметаллов на основе первичной гексагональной решетки. Но длительный отжиг приводит к большой неоднородности концентрации атомов неметаллов из-за их упорядоченного расположения в сильно нестехиометрическом сплаве, что обусловливает распад упорядоченного твердого раствора внедрения на две упорядоченные фазы [3].
В области концентрации 0,26 < N/Ti v 0,50 при упорядочении неметаллов распад не происходит из-за достаточной концентрации неметаллов для сохранения устойчивости упорядоченной структуры. Однако при увеличении степени дальнего порядка в расположении неметаллов происходит деформация решетки, которая в свою очередь определяет переход порядок-порядок, а именно из гексагональной
упорядоченной a-фазы (п.г. P3m1) в моноклинную упорядоченную у-фазу (п. г. C2/m).
Выводы
Обнаружена нелинейная концентрационная зависимость параметров решетки твердого раствора TiNxH020, коррелирующая с изменением типа ближнего порядка и фазовыми превращениями в области гомогенности при понижении температуры. Установленная закономерность свидетельствует об изменении характера межатомных сил взаимодействия в области гомогенности твердого раствора TiNxH020.
Список литературы
1. Корнилов И.И. Титан. М.: Наука, 1975. 309 с.
2. Хватинская Д.Я., Курбонов И.И., Хидиров И. и др. Ближний порядок в системе Ti-N-H // Узб. физ. ж. 1992. № 6. C. 54-56.
3. Хидиров И. Процессы упорядочения и распада в твердом растворе азота и водорода в a - Ti // Ж. неорг. химии. 2001. Т. 46, № 3. C. 432-438.
4. Khidirov I. Neutron diffraction study of isotopic effect in arrangement of hydrogen atoms in solid solutions in of the Ti-N-H, Ti-N-D AND Ti-N-H-D systems. Chapter 2. P. 13-36. In the book "Neutron Diffraction: Instruments, methodologies and applications". Ed. Xinzhe Jin. - New York: Nova Science Publishers. USA, 2013. 86 p. Web site: www.novapublishers.com.
5. Хидиров И., Каримов И.А., Эм В.Т. и др. Ней-тронографическое исследование фазового перехода типа порядок-беспорядок в нитридогидридах титана // Неорг. материалы. 1981. Т. 17, № 8. C. 1416-1420.
6. Амосов А.П., Боровинская И.П., Мержанов А.Г. Порошковая технология ŒC синтеза материалов. М.: Машиностроение -i, 2007. 47 i с.
7. Хидиров И. Нейтронографическое исследование систем Ti-C, Ti-N, Ti-C-H и Ti-N-H. Saarbrucken: LAMBERT-Academic Publisher, Германия. 2014. 184 с.
№ 07 (171) Международный научный журнал Г-1"! > 1 \ Н ЕЕ " 20 14 ' «Альтернативная энергетика и экология»
2015 © Научно-технический центр «TATA», 2015
