CC BY
10ISSN 0136-4545 !Ж!урнал теоретической и прикладной механики.
№3 (76) / 2021.
УДК УДК 669.788
©2021. Т.А. Щеголева, Ж.Л. Глухова, А.В. Ветчинов
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ФОРМОИЗМЕНЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛАСТИН
В настоящей работе представлено описание разработанной установки и отработанной экспериментальной методики для изучения формоизменения металлических пластин при одностороннем электролитическом насыщении водородом.
Ключевые слова: электролитическое насыщение водородом, водородные напряжения, формоизменение металлов, экспериментальный анализ.
Введение. Конструкционные материалы часто подвергаются насыщению водородом при их эксплуатации. Внедренные атомы водорода расширяют кристаллическую решетку металлов. Одним из физических эффектов, вызываемых концентрационными неоднородностями водорода, является формоизменение металла. Экспериментальное изучение проявлений индуцированного водородом формоизменения металла в лабораторных условиях возможно проводить либо термическим (насыщение из газовой фазы), либо электролитическим (насыщение из электролита) методом.
Формоизменение упругонапряженной палладиевой пластины под воздействием газообразного водорода исследовано в работах [1-5]. Авторами экспериментально установлено, что на величину формоизменения оказывают влияние такие факторы как температура, давление водорода и число циклов водородного воздействия [4].
Для исследования формоизменения металлических пластин также можно использовать электролитический метод. С этой целью была спроектирована и изготовлена новая электрохимическая водородная установка (ЭВУ - 5) и разработана методика экспериментального исследования «in situ» формоизменения металлов при их электролитическом насыщении водородом. В настоящей работе представлено описание созданной установки и методики экспериментов, а также результаты исследования влияния концентрации тиомочевины и плотности тока на формоизменение металлических пластин при одностороннем электролитическом насыщении водородом.
1. Методика и результаты экспериментального исследования. Экспериментальная установка для насыщения исследуемых образцов водородом представлена на рисунках 1 и 2. Установка состоит из:
- блока электрохимического насыщения образцов;
- ванны из органического стекла, в которую помещается и закрепляется блок электрохимического насыщения;
- источника электропитания ИЭПП-2;
- универсального вольтметра;
Т.А. Щеголева, Ж.Л. Глухова, А.В. Ветчинов - стабилизатора тока.
з 4
Рис. 1. Электрическая схема установки ЭВУ-5: 1 — катод (образец); 2 — анод (платиновая проволока); 3 — источник питания; 4 — амперметр; 5 — стабилизатор тока; 6 — электролит.
В центральной части блока электрохимического насыщения образцов находится держатель образца (рис. 2). Образец, который является катодом, представляет собой пластинку. Нижним концом пластинка крепится в зажиме, другой ее конец остается свободным, он изогнут в форме буквы «Г». Вокруг держателя располагаются четыре керамические трубки, на которые намотана платиновая проволока, представляющая собой анод.
Рис. 2. Блок электрохимического насыщения образцов.
При отработке методики для экспериментов использовали образцы из Pd в
виде пластинок размером 65x5,5x0,2 мм. Их изгибали в форме буквы „Г" так, чтобы загнутый конец составлял около 3 мм. Перед отжигом образцы обезжиривали спиртом и крепили на обезжиренной подложке из нержавеющей стали. Отжиг проводили в вакууме при температуре 7000С в течение одного часа и охлаждали с печью до комнатной температуры. После отжига одну из сторон пластины покрывали цапон-лаком, другую сторону образца обезжиривали спиртом. Исследуемый образец нижним концом закрепляли в держателе блока электрохимического насыщения. После этого блок электрохимического насыщения опускали в ванну из органического стекла и заливали электролит.
Регулятор блока питания позволяет изменять силу тока в пределах от 0 до 7,5 мА. Силу тока измеряли амперметром, чтобы поддерживать ток неизменным в ходе эксперимента использовали стабилизатор. Регистрацию изменений величины стрелы прогиба свободного конца образца во время эксперимента вели при помощи катетометра и видеокамеры. Полученную запись расшифровывали кадр за кадром и посекундно в компьютерной программе Movavi Video Editor. Точность измерения стрелы прогиба образца составляет ±0,02 мм.
На рисунке 3 приведена временная зависимость стрелы прогиба образца в реальном времени.
Yj млл 4,5
J \
15000 t,c
Рис. 3. Временная зависимость стрелы прогиба пластины при ее одностороннем насыщении водородом (5% р-р H2SO4+1,5 г/л тиомочевины).
Как видно из рисунка 3, изгиб изучаемой пластины палладия наблюдается сразу после катодного подключения образца. График имеет две характерные области. В первой области (0-10000 с) наблюдается малый изгиб образца (в пределах области упругих деформаций), и при этом формоизменение практически не изменяется. При дальнейшем наводороживании (на интервале 10000-20000 с) величина стрелы прогиба непрерывно интенсивно растет. Так как важнейшим
фактором, определяющим величину стрелы прогиба образца при его одностороннем насыщении водородом, являются возникающие при этом градиенты концентрации, то сравнительно небольшие формоизменения образца в первой области говорят об образовании а-фазы в приповерхностном слое. В дальнейшем преодолевается потенциальный барьер, и образуется гидридная фаза, поэтому наблюдается ускоренный рост величины стрелы прогиба.
Анализ литературных данных [6-13] показал, что на концентрацию водорода в образце оказывают влияние такие параметры электролиза как плотность тока, время наводороживания, состав и концентрация электролита.
В таблице 1 представлены режимы электролитического насыщения металлов водородом по литературным данным.
Таблица 1
Материал Состав электролита Условия насыщения Лит ература
РеувМг&дВп Н2БС>4 ]=50 А/м2 т=20 мин [6]
Э125(Хг-2,5%ЫЪ) 1 Мр-р (ЫОН+Н2О) ]-0,5 А/см2 т= 1,2,3,7,12 ч [7]
Я235Ж 5% р-р Н2$04+1,5 г/л тиомочевины ]=20-600 мА/см2 т—1 ч [8]
РеС.Г2зМ12«+добавки 1 Н р-р Н2304+0,01 г/л ¡=5-50 мА/см2 т=72 ч [9]
№ 111 р-р 1ЬЗС)41 Ж2Оз /=0,018 А/см2 т=320 мин [10]
12Х18Н10Т 1 Мр-р Н2504 ]=0,1-1 А/см2 т=2-12 ч [П]
Ре-18С,г-14Ш-2Мо 1 Мр-р П28С>4 ]=10 мА/см2 т=2, 5, 24 ч [12]
Как видно из таблицы 1, для стимулирования наводороживания используются различные стимуляторы, такие как НаАз02, тиомочевина ((N#2)2СБ), А$20з под действием которых происходит торможение реакции молизации водорода, в результате чего увеличивается количество атомов водорода на поверхности пластинки, следовательно, и количество водорода, проникающего вглубь металла [13].
Для изучения влияния концентрации тиомочевины на формоизменение пал-ладиевой пластины в качестве электролита использовали 5% р-р Н2БО4 с добавлением разного количества тиомочевины. Плотность тока во всех экспериментах составляла 0,60 мА/см2.
На рисунке 4 приведены результаты экспериментов при различных концентрациях тиомочевины в растворе. Как видно из рисунка 4, увеличение концентрации тиомочевины выше 1,5 г/л практически не влияет на формоизменение образца. Следовательно, оптимальным содержанием тиомочевины является концентрация 1,5 г/л, что согласуется с литературными данными.
О 5ООО 10000 15000 20000 25000
Рис. 4. Временная зависимость стрелы прогиба пластины при ее одностороннем насыщении водородом. Концентрация тиомочевины в растворе: 1 —0,75 г/л, 2-3,0 г/л, 3 — 1,5 г/л.
Для исследования зависимости формоизменения от величины плотности тока в качестве электролита использовали 5% р-р Н2Б04 с добавлением 1,5 г/л тиомочевины. Плотность тока в экспериментах изменяли от 0,6 до 2,0 мА/см2. На рисунке 5 представлены результаты первых проведенных экспериментов.
Рис. 5. Временная зависимость стрелы прогиба пластины при ее одностороннем электрохимическом насыщении водородом. Плотность тока: 1 — 0,6 мА/см2, 2 —1,0 мА/см2, 3 — 2,0 мА/см
Как видно из рисунка, на величину изгиба изучаемой пластины палладия существенное влияние оказывает плотность подаваемого тока: при увеличении плотности тока изгиб закономерно увеличивается (см. кривые 2 и 3 на рис. 5). Известно, что, изменяя плотность катодного тока наводороживания, можно изменять концентрацию водорода в образце. Однако однозначный вид зависимости содержания водорода в металлах от плотности тока пока не установлен. Вследствие одностороннего насыщения пластины водородом появляются гради-
енты концентрации водорода по толщине пластины, что вызывает появление концентрационных напряжений и приводит к изгибу образца. Таким образом, значительное возрастание стрелы прогиба образца на начальных стадиях насыщения водородом (пока в процессе насыщения еще не образуется гидридная фаза) указывает на увеличение градиентов концентрации водорода, что можно объяснить ростом концентрации водорода в приповерхностных слоях образца при увеличении плотности тока.
Выводы. Приведено описание изготовленной лабораторной установки для изучения формоизменения металлических образцов. Впервые экспериментально установлено, что при одностороннем электрохимическом насыщении водородом палладиевая пластина претерпевает изгиб, характер которого зависит от условий эксперимента.
Проведенные эксперименты показывают, что созданная установка и разработанная методика позволяют проводить при комнатной температуре систематическое изучение индуцированного водородом формоизменения металлических изделий в виде пластины из нержавеющей стали, никеля, палладия и других металлов и сплавов при различных режимах наводороживания. Установленные экспериментально закономерности позволят понять физику «работы» внутренних водородных напряжений, отвечающих за надежность и работоспособность металла при его эксплуатации в контакте с водородом, его изотопами и водоро-досодержащими средами. На этой основе предполагается разработать исходные физические данные для технологических режимов безопасной работы и эксплуатации аустенитных сталей для электрохимических и химических производств, а также мембранных сплавов для получения особо чистого водорода и его изотопов для атомной, водородной и термоядерной энергетики.
1. Goltsov V.A. Fundamentals of Hydrogen Treatment of Materials / V.A. Goltsov // Progress in Hydrogen Treatment of Materials. - Donetsk, Coral Gables: Kassiopeya Ltd., 2001. - P. 3-37.
2. Goltsov V.A. Hydrogen elasticity effect and its importance in diffusion of concentration inhomo-geneities in metals / V.A. Goltsov, Zh.L. Glukhova, A.L. Redko // Int. J Hydrogen Energy. -1997. - Vol. 22. - P. 179-183.
3. Goltsov V.A. Progress in Hydrogen Treatment of Materials / V.A. Goltsov, Editor. - Donetsk, Coral Gables: Kassiopeya, 2001. - 543 р.
4. Гольцов В.А. Формоизменение палладиевой пластины под воздействием водорода / В.А. Гольцов, Р.В. Котельва, Т.А. Рюмшина [и др.] // Физика металлов и металловедение. -1990. - Т. 10. - С. 135-141.
5. Глухова Ж.Л. Экспериментальное исследование индуцированного водородом формоизменения пластины из палладия и сплавов a-PdHx / Ж.Л. Глухова, Е.Н. Любименко, В.А Гольцов // Физика и техника высоких давлений. - 2011. - Т. 21, № 3. - С. 110-118.
6. Скрябина Н.Е. Влияние водорода на процесс кристаллизации магнито-мягких быстрозака-ленных сплавов на основе железа / Н.Е. Скрябина, В.И. Ладьянов, Д. Фрушар // Труды Пятой международной конференции «В0М-2007», Донецк, 21-25 мая 2007 г. - Донецк, 2007. - Ч.2 - С. 531-535.
7. Казаченок М. С. Влияние водородной обработки на механические свойства циркониевого сплава Э-125 / М.С. Казаченок, А.В. Панин, К.В. Оскомов [и др.] // Труды Пятой международной конференции «В0М-2007», Донецк, 21-25 мая 2007 г. - Донецк, 2007. - Ч.2 -С. 791-795.
8. Мерсон Е.Д. Влияние плотности тока электролитического наводороживания на концентрацию диффузионно-подвижного водорода в низкоуглеродистой стали марки S235JR / Е.Д. Мерсон, В.А. Полуянов, Д.Л. Мерсон [и др.] // Вектор науки ТГУ. - 2015. - №4 (34). - С. 76-82.
9. Шиванюк В.Н. Влияние легирующих элементов на обусловленное водородом 7 ^ е фазовое превращение в аустенитных сталях / В.Н. Шиванюк, Ж. Фокт, В.Г. Гаврилюк // Труды Пятой международной конференции «ВОМ-2007», Донецк, 21-25 мая 2007 г. - Донецк, 2007. - Ч.2 - С. 496-500.
10. Смяловский М. Принцип нового метода исследования диффузии катодного водорода / М. Смяловский, З. Шклярская-Смяловская // Известия АН СССР. Отд. хим. наук. - 1954. -№ 2. - С. 226-229.
11. Чернов И.П. Влияние имплантации водорода и гелия на физико-механические свойства ферритной стали / И.П. Чернов, Ю.П. Черданцев, Ю.В. Мартыненко [и др.] // Труды Пятой международной конференции «ВОМ-2007», Донецк, 21-25 мая 2007 г. Донецк, 2007. - Ч.2 - С. 768-772.
12. Купрекова Е.Н. Ориентационная и температурная зависимость критических скалывающих напряжений монокристаллов аустенитной нержавеющей стали Fe-18Cr-14Ni-2Mo с водородом / Е.И. Купрекова, Ю.И. Чумляков, И.П. Чернов [и др.] // Труды Пятой международной конференции «В0М-2007», Донецк, 21-25 мая 2007 г. - Донецк, 2007. - Ч.2 -С. 773-777.
13. Белоглазов С.М. Наводороживание стали при электрохимических процессах и его предотвращение: автореф. дис. на соиск. учен. степ. д-ра хим. наук. (02.074) / С.М. Белоглазов; Вильнюсский гос. ун-т им. В. Капсукаса. - Вильнюс, 1970. - 42 с.
T.A. Shchegoleva, Zh.L. Glukhova, A.V. Vetchinov
Technique for experimental research of form change of metal plates.
In this work the description of elaborated installation and waste experimental technique is presented for study of deformation of metal plate under single-side electrolytic hydrogen saturation. Keywords: electrolytic hydrogen saturation, hydrogen stresses, deformation of metals, experimental analysis.
ГОУ ВПО "Донецкий национальный технический университет", Получено 26.10.2021
Донецк
Donetsk National Technical University, Donetsk den92kytepov@mail.ru
