CC BY
66
УДК 539.389.3
Л.Спивак, Е.Лунарска* ПОЛЗУЧЕСТЬ И МЕХАНИЧЕСКОЕ ПОСЛЕДЕЙСТВИЕ В СИСТЕМЕ АЛЮМИНИЙ - ВОДОРОД
Пермский государственный университет * Варшавский университет имени Стефана Висчински
The influence of joint action of the gradient field of stress and diffusion flow of hydrogen on the deformation activation of direct and reverse mechanical aftereffects is considered. It is shown, that in these conditions the repeated acceleration of creep and the reverse mechanical aftereffect deformation takes place. The displacement to the area of higher temperatures of the recrystallization processes in aluminium, previously processed by hydrogen, was established.
Введение
Так называемые синергические эффекты микропластичности при одновременном действии поля напряжений и высокоградиентного потока атомов водорода в металлах и сплавах проявляются в ускорение деформации прямого и обратного механического последействия [1-3]. Такой деформационный отклик, как принято считать, наблюдается при наличии определенных условий, а именно: довольно заметном, порядка 10-9^10-10 м2с-1, коэффициенте диффузии водорода в материале и образовании по механизму мартенситного перехода гидридных (в ванадии, тантале, палладии) или гидридоподобных (в железе) фаз. Причем структура гидридных образований в этом случае связана с упорядочением атомов водорода в кристаллической решетке матрицы с образованием собственно водородной под-решетки. Отметим, что, как и при обычных термоупругих превращениях, фазовому переходу в этих случаях предшествует ряд предпереходных состояний, характеризующихся «размягчением» модуля сдвига. В системах металл-водород это снижение модуля сдвига, в пределе, ведет к возникновению особого «квазижидкого» состояния с относительно высоким сопротивлением металла нормальным напряжениям и весьма низким сопротивлением деформации сдвига [4]. Подобного рода исследования на алюминии не проводились, так как согласно литературным данным (см., напр., [5]) коэффициент диффузии водорода в алюминии при 300 К экспериментально не определялся, и его значение при 300 К можно получить экстраполяцией высокотемпературных измерений. Последнее не всегда достаточно корректно, но дает порядок ожидаемых значений коэффициента диффузии в этих условиях. Расчетное значение коэффициента диффузии водорода в алюминии при 300 К оказывается на уровне 1013^1014 м2с-1, т.е. на несколько порядков меньше, чем у типичных гидридообразующих металлов.
Тем не менее, работы последних лет показали, что водород может оказать заметное влияние на свойства алюминия и при 300 К, и в этом плане было бы интересно подтвердить или расширить уже сложившиеся представления о природе деформационного отклика металлов при их насыщении водородом в поле внешних или внутренних напряжений. Дополнительным соображением являлось то, что гидриды алюминия образуются с относительно незначительным объемным эффектом, и, следовательно, можно избежать в экспериментах маскирующего влияния фазового наклепа на деформационный отклик.
Методика исследования
Для изучения механического последействия при насыщении водородом образцов алюминия была использована установка, работающая по схеме обратного крутильного маятника с оптической системой регистрации относительной сдвиговой деформации с точностью ±5 • 107.
Образцы алюминия (99,999%) диаметром 0,8 мм и рабочей длиной 55 мм были получены волочением с последующим рекристаллизационным отжигом в вакууме при 250°С в течение 20 мин. В процессе исследования образцы деформировали кручением или ниже макроскопического предела текучести для изучения прямого механического последействия (ползучесть), или предварительно, перед наводороживанием, их деформировали пластически для исследования эффектов обратного механического последействия (ОМП). Насыщение образцов алюминия водородом проводили электролитически в 0,1 N №ОН. Плотность катодного тока гс = 1000 А/м2. Обычно длительность наводороживания не превышала 8 часов.
Образец служил катодом, а анодом — две расположенные симметрично и параллельные оси образца платиновые проволоки диаметром 0,5 мм. Изучение деформационного отклика при нагреве алюминии проводили с помощью специальной съемной головки, в которую встроена термопара. Нагрев производили до 310°С со скоростью ~ 10°С/мин. Для каждого режима использовали не менее трех образцов. Максимальное расхождение в величинах мик-ропластической деформации для идентично обработанных образцов не превышало 12%.
Экспериментальные результаты и их обсуждение
Макроскопический предел текучести тт в отожженном алюминии оказался равным 35 МПа. Рабочая нагрузка составляла, как обычно принято в таких экспериментах, 0,8тт, т.е. 28 МПа. Приложение такой нагрузки вызывает полностью обратимую деформацию, а выдержка при ней в течение суток не приводит к дополнительной остаточной деформации, выходящей за пределы точности ее измерения. Введение водорода (см. рис.1) активизирует деформацию ползучести, и ее скорость, за исключением начального участка, остается практически постоянной в течение четырех часов насыщения. Если длительность насыщения водородом увеличить, то после пяти часов введения водорода наблюдается некоторое увеличение скорости ползучести (рис.1). Характер зависимости у(/) в этом случае напоминает типичную зависимость прямого последействия при насыщении водородом таких гидридообразующих металлов, как ванадий, ниобий, тантал, цирконий, при нагрузках, меньших макроскопического предела текучести (см.[2]). Однако для этих металлов на определенном этапе насыщения водородом происходило разрушение образцов из-за развития гидридной хрупкости, тогда как при насыщении водородом алюминия потери пластичности металла не наблюдалась. Кроме того, в реализованных в данном эксперименте режимах насыщения водородом, судя по литературным данным, гидриды алюминия типа А1Н3 вообще не образуются. Поэтому есть все основания считать, что обнаруженный эффект обусловлен специфической перестройкой структуры металла в процессе его насыщения водородом.
Активизация деформации прямого последействия при нагрузках, меньших макроскопического предела текучести алюминия, давало основание предполагать, что в этих условиях можно наблюдать и ускорение ОМП. Действительно, эксперименты подтвердили это (см. рис.2). Естественно, наблюдаемые при этом деформации заметно меньше, но практически того же порядка, что и при ползучести. В течение четырех часов насыщения водородом кривые у(0 сохраняют практически линейный характер. Сама величина деформации и ее скорость зависят немонотонно от степени предварительной пластической деформации кручением у. Поскольку в общем случае движущей силой деформации ОМП является
1 КГ2, с
Рис.1. Влияние продолжительности насыщения водородом на деформацию ползучести алюминия; т = 28 МПа
релаксация созданных в металле предварительной пластической деформацией внутренних напряжений, то активизация при насыщении водородом микропласти-ческой деформации должна была повлиять на динамику изменения сдвиговой деформации при переходе металла от деформированного состояния к рекристал-лизованному.
На рис.3 показано развитие деформации ОМП при нагреве предварительно пластически деформированного кручением алюминия. На представленных кривых можно выделить три температурных интервала (см., напр., [6]), отвечающих соответственно процессам отдыха и возврата (приблизительно до 150 °С), полигониза-ции (плато) и собственно рекристаллизации (увеличение скорости и величины микродеформации в местах с высокой локальной плотностью дислокаций). Как было показано ранее [2], с увеличением степени предварительной пластической деформации кручением все эффекты деформационного отклика при последующем нагреве немонотонно зависят от у*. В данном случае эта закономерность еще раз подтверждается на алюминии высокой степени чистоты.
Введение водорода в пластически деформированный алюминия (рис.3, кривая 2) приводит к двум эффектам при его последующем нагреве в область температур рекристаллизации: снижение общего уровня деформационного отклика при нагреве обработанного водородом алюминия; смещение в область более высоких температур активной стадии развития рекристаллизационных процессов. Как тот, так и другой эффекты, скорее всего, связаны с частичной релаксацией внутренних напряжений при насыщении водородом пластически деформированного кручением алюминия.
Таким образом, оказалось, что при исследовании как прямого, так и обратного механического последействия введение водорода в алюминий активизирует развитие микропластической деформации при релаксации внешних или внутренних напряжений
Рентгеноструктурный анализ алюминия после многочасового насыщения водородом не зафиксировал появление новых структурных образований. Тем не менее, было установлено, что при прочих равных условиях введение водорода в алюминий сопровождается снижением сопротивления металла сдвиговым деформациям (уменьшением модуля сдвига О). Обычно уменьшение модуля сдвига предшествует протеканию термоупругих мартенситных превращений. Однако до сих пор в алюминии не обнаружено возникновение гидридных фаз, образующихся по диффузионно-кооперативному механизму, как это имеет место при насыщении водородом типичных гидридообразующих металлах Уа группы. Образование же гидрида алюминия А1Н3 в данных условиях насыще-
Г, X
Рис.3. Влияние температуры нагрева на деформацию ОМП алюминия. Предварительная пластическая деформация у( = 0,6. 1 — без насыщения водородом; 2 — после насыщения водородом
у • ю5
2Л
1
3
0 20 40 60 80 100 120 140 160 /-10Г2, с Рис.2. Влияние продолжительности насыщения водородом на деформацию ОМП в алюминии; у* = 0,3 (1); 0,6 (2); 1,2 (3)
ния водородом ранее также не наблюдалось. Но даже если допустить такую возможность, то из-за малого объемного эффекта гидридного превращения возникновение при этом дислокаций несоответствия нельзя считать значимым фактором, активизирующим деформационный отклик при прямом и, тем более, при обратном механическом последействии.
Выводы
При насыщении водородом алюминия обнаружено многократное ускорение ползучести при нагрузках, много меньших макроскопического предела текучести.
В пластически деформированном алюминии введение водорода активизирует развитие деформации обратного механического последействия. Установлено, что величина деформационного отклика в таких экспериментах при прочих равных условиях зависит от предварительной пластической деформации кручением материала.
Показано, что при нагреве предварительно деформированных кручением образцов алюминия, подвергшихся водородному воздействию, деформационный отклик выражен в меньшей степени, чем в образцах, не проходивших водородную обработку. Отмечена тенденция к смещению в область более высоких температур активной фазы протекания рекри-сталлизационных процессов в предварительно обработанном водородом алюминии.
Высказано предположение о том, что наблюдаемые эффекты связаны с возникновением гидридоподобных фаз, существующих только в далеких от термодинамического равновесия условиях.
1. Спивак Л.В., Кац М.Я., Скрябина Н.Е. // ФММ. 1991. №6. С.142-150.
2. Спивак Л.В., Скрябина Н.Е., Кац М.Я. Водород и механическое последействие в металлах и сплавах.
Пермь: Изд-во ПГУ, 1993. 344 с.
3. Спивак Л.В. // СОЖ. 1999. №10. С. 108-114.
4. Скрябина Н.Е., Спивак Л.В. // Вестник Пермского университета. Сер.: Физика. 2000. Вып.6. С. 13-18.
5. Лариков Л.Н., Исайчев В.И. Диффузия в металлах и сплавах: Справочник. Киев: Наукова думка, 1987. 510 с.
6. Спивак Л.В. // Металлофизика. 1984. Т.6. №3. С.103-104.
