CC BY
15Конструкционные материалы
ОСОБЕННОСТИ ЭВОЛЮЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В ПАЛЛАДИЕВЫХ СПЛАВАХ ПОСЛЕ ГИДРОГЕНИЗАЦИИ
В. М. Авдюхина, Г. П. Ревкевич, A.A. Кацнельсон
Физический факультет МГУ им. М. В. Ломоносова Ленинские горы, д. 1, стр. 2, Москва, 119992 ГСП-2, Россия Тел.: (495) 9328820; e-mail: valentina@solst.phys.msu.ru
Развитие водородной энергетики требует фундаментального исследования водородсодержа-щих систем, по своей природе являющихся открытыми и неравновесными. В рамках решения этой проблемы основной задачей физики конденсированного состояния является изучение поведения таких систем в процессе длительной релаксации, поскольку развивающиеся при насыщении неустойчивости сплавов могут быть причиной нежелательных механических разрушений при эксплуатации систем с водородом.
Для реализации этой проблемы нами проведен цикл прецизионных рентгендифракционных исследований с использованием монохроматизи-рованного СиКа1-излучения в системах палладия и палладий-металл (W, Sm, Ег, Та, Мо, Ш, Си и др.) по изучению структурных характеристик и их трансформированию в процессе динамической самоорганизации после гидрирования (в том числе циклического) и последующей релаксации.
Установлено, что профили дифракционных линий всех исследуемых сплавов после гидрогенизации и в процессе последующей релаксации оказываются значительно более сложными, чем для исходного состояния [1—3]. Это означает, что при распаде насыщенных водородом сплавов на основе палладия происходит сложная кинетика структурных превращений, заключающаяся в апериодическом изменении количества сосуществующих кубических фаз с разными значениями величин напряжений (или без них), объема каждой из фаз и их дефектной структуры. Учет одновременного изменения периодов кристаллической решетки и величин микронапряжений позволил уточнить состав дефектных комплексов, в которые помимо водорода, дефектов и атомов примеси входят вакансии, количество которых после гидрогенизации в исследуемых палладиевых сплавах увеличивается в 103 раз по сравнению с равновесным состоянием. Установлены скоррелированные (кооперативные) немонотонные процессы перемещения вакансий, атомов водорода и металла между матрицей и дефектными областями. Такие процессы наблюдаются и тогда, когда концентрация водорода в системе остается небольшой. Это означает, что на поздних стадиях структурной эволюции ее определяющим фактором является преимущественно высокая концентрация вакансий, которые перемещаются между матрицей, дефектными комплексами и могут выходить на поверхность [4].
Установлено, что зависимость положений составляющих дифракционных максимумов от угла
дифракции после гидрогенизации и последующей релаксации носит дискретный характер, а от времени является стохастической [5]. Подобный характер структурной эволюции обеспечивается тем, что он обусловлен более чем тремя факторами (концентрация водорода, вакансий и дефектных комплексов), определяющими этот процесс, а также фрактальным характером распределения многодолинного синергетического (неравновесного) потенциала в обратном пространстве.
Разработана модель немонотонной структурной эволюции гидрогенизированных сплавов, главными особенностями которой являются:
- потеря устойчивости системы вследствие закачки в нее водорода, индуцирования аномально высокой концентрации вакансий и формирования новой дефектной структуры;
- многофазный распад после гидрогенизации в силу его энергетической выгодности в многодолинной системе;
- дискретный (прыжковый) характер перестройки структуры системы в процессе эволюции;
- непрерывная перестройка дефектной структуры в процессе релаксации системы за счет миграции водорода и вакансий, возникновения и трансформирования дефектов;
- сложный характер изменения устойчивости возникшей системы и ее частей (ансамбля дефектных областей и матрицы) со временем, обусловленный различием скоростей процессов, указанных выше;
- разнесенность во времени максимумов неустойчивости областей матрицы и дефектных областей, приводящая к колебательному характеру рассматриваемого процесса.
Работа поддержана грантом РФФИ № 0502-16533.
Список литературы
1. Кацнельсон А. А., Олемской А. И., Сухору-кова И. В., Ревкевич Г. П. // УФН. 1995. T. 165, №3. C. 331.
2. Авдюхина В. М., Кацнельсон А. А., Ревкевич Г. П. // Кристаллография. 1999. № 44. С. 49.
3. Avdyukhina V. M., Katsnelson A. A., Revke-vich, G. P. // Platinum Metals Rev. 2002. Vol. 46, No. 4. P. 169.
4. Авдюхина В. М., Кацнельсон А. А., Олем-ской А. И., Олемской Д. А., Ревкевич Г. П. // ФТТ. 2002. T. 44, №6. C. 979.
5. Авдюхина В. М., Анищенко А. А., Кац-нельсон А. А., Олемской А. И., Ревкевич Г. П. // ФТТ. 2004. T. 46, №3. C. 259.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology ISJAEE № 6(38) (2006) Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» АЭЭ №6(38) (2006)
Водородная энергетика и транспорт
THE PECULIARITIES OF THE PALLADIUM-ALLOY EVOLUTION
AFTER HYDROGENATION
V. M. Avdjukhina, G. P. Revkevich, A.A. Katsnelson
Physics Faculty, Moscow State University Moscow, 119992, Russia Phone: 7 (495) 9328820; e-mail: valentina@solst.phys.msu.ru
The hydrogen energetic requires fundamental investigations of hydrogen systems — open and nonequilibrium ones. In a framework of condensed matter physics a main problem is an investigation of a long-time alloy relaxation for monitoring alloy stability and crack appearance during hydrogen systems exploitation. In this case palladium alloys are convenient systems for studying because of its high ability to store hydrogen.
We made a cycle of precision X-ray diffracto-metric investigations of Pd-H and Pd-M-H systems (M = W, Sm, Er, Ta, Mo, Hf, Cu) using CuKa1-emanation. We study the structure transformation (dynamical self-organization process) during and after hydrogenation which can repeat several times.
It was found the diffraction maxima profiles of all alloys are more complicate during and after hydrogenation than initial profiles [1-3]. That means the hydrogenation leads to complex kinetics of phase transitions: an aperiodic changing of the number of cubic phases, its volumes and defect structures. We split diffraction maxima into several components (phases) of a Lorenz form and analyzed lattice parameters and elastic tensions of these phases. We found that alloys contains a lot of defect-metal complexes and a large amount of vacancies (1000 times more than the equilibrium palladium-alloy state). We established the cooperative nonmonotonic migration of vacancies, hydrogen and metal among the matrix and defect areas. The process didn't stop even hydrogen concentration was low. That means the migration is due to a large amount of vacancies moving among the matrix, defect complexes and the surface [4].
It was found that diffraction maxima evolve in the stochastic way and lattice parameters of diffraction maxima components have discrete val-
ues [5]. The stochastic evolution is due to existing of three governing factors: vacancies, defects and hydrogen concentration, and also is due to the fractal character of the multi-valley thermodynamic potential in the back space.
It was proposed a model of the nonmonotonic Pd-alloys evolution after hydrogenation. The basic peculiarities of the model are following:
- nonequilibrium of alloys induced by the high vacancy concentration and new defect structure;
- multi-phasing (is due to multi-valley ther-modynamic potential);
- discrete character of structure evolution;
- continuous defect structure transformation (is due to hydrogen and vacancies migration);
- complex time evolution of stability of system parts, the matrix and defect areas;
- time difference of the stability of the matrix and defect areas and, as result, oscillatory evolution of alloys.
Supported by 05-02-16533 RFBR Grant.
References
1. Katsnelson A. A., Olemskoi A. I., Revkevich G. P., Sukhorukova I. V. // Physics-Uspekhi. 1995. Vol.165, No. 3. P. 331.
2. Avdjukhina V. M., Katsnelson A. A., Revkevich G. P. // Kristallographiya. 1999. Vol. 44. P. 49.
3. Avdyukhina V. M., Katsnelson A. A., Rev-kevich G. P. // Platinum Metals Rev. 2002. Vol. 46, No. 4. P. 169.
4. Avdyukhina V. M., Katsnelson A. A., Olem-skoi A. I., Olemskoi D. A., Revkevich, G. P. // Fizika tverdogo tela. 2002. Vol. 44, No. 6. P. 979.
5. Avdyukhina V. M., Anischenko A. A., Katsnelson A. A., Olemskoi A. I., Revkevich, G. P. // Fizika tverdogo tela. 2004. Vol. 46, No. 3. P. 259.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology ISJAEE № 6(38) (2006) Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» АЭЭ № 6(38) (2006)
