Введение к работе
Актуальность проблемы. В современном материаловедении весьма актуальным является изучение закономерностей взаимодействия в сиотене металл - водород, а также изыскание возможностей управления происходящими при этом процессами, в- связи о чем одной из основных задач является.создание новых прогрессивных технологий, увеличивающих ресурс работоспособности металлов и сплавов в условиях воздействия энерге.лческих полей и актиьиых газовых сред. В последнее время интенсивное развитие работ по проблеме "Водород в металлах" выдвинуло новое направление - создание водородных технологий управления Физико-механическими свойствами материалов, используя закономерности влияния водорода на сущест-вупщиа в них фазовые превращения. В отой связи необходимо отметить работы по водородофазовому наклепу (В.А.Гольцов), позволив-вив создать методику управления прочностными свойствами гидридо-образуюиих металлов, термоциклируя их в интервале температур образования гидридн- х фаз, / открытие явления сверхпластичности железа и его сплавов после обработки в водороде в области температур полиморфного превращения (З.И.Шаповалов). Однако такой ии-рокий клаоо фазовых превращений, как упорядочение (атомное или
магнитное) с этой точки зрения практически на исследовался, су-
цествугщие данные относятся лишь к теоретическому или экспери
ментальному определение его влияния на диффузионные параметры
водорода (проницаемость, коэффициент диффузии и растворимость).
Поэтому первостепенное значение для создания водородной техноло
гии, базирувщейся на особенностях процессов упорядочения в сис
теме Че - Н , приобретает установление закономерностей влияния
водорода на образование магнитного и атомного порядка, их пара
метры и критические температуры. Кроме того, для более глубоко
го понимания свойств систем Не - Н необходимы сведения о при
роде межатомного взаимодействия в них, в частности, об изменени
ях, происходящих в алектронной структуре металла при растворении
водорода и его энергетическом состоянии. Подобные исследования
* представляют-интерес при разработке новых жаропрочных и прецизи
онных сплавов, выборе материалов для оборудования управляемого
термоядерного синтеза, создании водородных фильтров для химических реакторов, хранения -и траспортировки водорода и т.п.
Диссертационная работа выполнялась в рамках постановлений ГКНГ * 427/2W от 12.12.1960 г. (проблема 0.85.03, задание Об "Создать и внедрить энергоаккумулируюцие вещества, включая гидриды, и разработать способы их применения") и » 95 от 23.02. IQ49 г. (программа "Создание, развитие производства и обеспечение народного хозяйства новыми конструкционными и функциональными материалами"), программы ТК по атомной энергии "Исследование и создание конструкционных материалов для реакторов термоядерного синтеза", постановления Президиума АН СССР и Коллегии МЧМ СССР от г. » 470/122 (задание 9.1 "Исследование физики поверхностных явлении и методов воздействия на состояние поверхности с целью направленного изменения свойств металлических материалов") и совестного репения Президиума АН УССР и Чинсредмаша СССР от г. КС- V32 (задание 31 "Разработать способы и создать материалы, обеспечивавшие непроницаемость газа при повышенных давлениях и.температурах").
Цель работы - установление основных закономерностей и механизма влияния водорода на процессы упорядочения в переходных металлах и сплавах, а также исследование возможностей использования полученных результатов для создания водородных технологий управления их физико-механическими свойствами. В связи с чем в задачу работы входило :
-
Создание методики и аппаратуры для исследования процессов упорядочения в системе металл - водород.
-
Изучение влияния водорода на магнитное упорядочение в металла- П\ гру: :ы ( Ni , Со . Fe ) и сплавах на их основе.
-
Определение основных закономерностей влияния растворенного водорода на подвижность дефектов кристаллической структуры.
-
Исследование упорядочения водородных атомов и их влияния на подвижность других примесей внедрения (углерод, азот).
с). Изучение влияния водорода на образование упорядоченных атомных свврхструктур в бинарных и тройных сплавах на основе железа, никеля и молибдена.
6. Определение влияния водорода на кинетику формирования олижнего атомного порядка в сложнолегированных сплавах на основе переходных металлов.
7. "становление возможного механизма взаииодеисгв^л в система "упорядочивавшийся сплав - водород".
я. Разработка рекомендаций по создание водородных технология термической и химико-термической обработки конструкционных материалов.
Научная новизна. Разработана методика исследовании влияния водорода на процессы атомного и магнитного упорядочения в сплавах на основе переходных металлов методами водородопроницаемос-ти и электропроводности на переменном токе, .что позволило определить общие закономерности иченения фазовой и эл 'тронной структуры металла при адсорбции, гидридообразовании и растворении водорода в кристаллической решетке. При этом установлен эффект уыеньпения самопроизвольной намагниченности и среднего магнитного момента в системе ферромагнитный металл - водород. Разработана методика определения коэффициента диффузии водорода методом электропроводности, с помощьо которой в пироком интервале температур измерены диффузионные параметры водорода в металлах У группы и впервые обнаружено высокотемпературное фізовое превращение, интерпретированнг" кок переход типа "газ - жидкость" в подреиет-ка внедренных атомов водорода. Показано, что изменение электронной структуры металла при наводп- іживакки приводит к ослабление сил межатомного взаимодействия, что проявляется в обнаруженных аффектах ускорения процессов самодиффузии, взаимодиффузии, атомного упорядочения и диффузии примесных атомов. Впервые установлено, что внедренный водород ускоряет процесс образования упорядоченных атомных сверх структур в сплавах систем Fe - Ni ,
Fe - Со и Ni - Mo При исследовании сплава НОб обнаружен эффект формирования сверх структуры LJ_o С FeNi ) ПД влиянием растворенного водорода. Показано, что отжиг в водороде увеличивает ооъеииус доли фазы №чМо и средние сте ень атомного порядка в сплаве Ni'M0 (20 ат.?). Определены структурные типы выделявшихся интерметаллидных фаз в сплавах системы Ni - /to С W) - Re . а-также кинетика их развития на различных стадиях образования ближнего атомного порядка. Впервые-показано, что в присутствии растворенного водорода процесс фазоооразования в сплавах переходных ме.зллов ускоряется в 5-в раз. На основзнии
полученных результатов предложен физический механизм взаимодействия Водорода с упорядочивающимися сплавами. Обнаружено, что насыщение из среды газоооразного водорода приводит к образованию <. - фазы железа в аустенитнои матрице хромомарган-цевых сталей вследствие интенсивного расслоения трердого раствора с образованием микрообластей, обогащенных марганцем. Установлено ускорение диффузии атомов азота и упорядочения атомов углерода, если в металле, присутствует водород. Все обнаруженные в раооте эффекты имеет единую природу и является следствием ос~ щего явления ускорения, диффузионных процессов в металлических системах под влиянием растворенного водорода.
В результате выполненной работы сформулированы и обоснованы научные положения, которые составляют основу нового перспективного направления - создания водородных технологий управления физико-механическими свойствами конструкционных материалов, используя захиномерности влияния водорода на протекающие в них процессы упорядочения.
Практическая ценность работы. Разработана методика определения поверхностной активности различных газовых сред на ферромагнитных материалах. Установлено снижение температур рекристалли-аации и фазовых превращений в атмосфере водорода и получены их численные значения при различном времени изотермической выдержки и в процессе термоциклирования. Предложена методика определения склонности конструкционных материалов к вакансионному распуханию под облучением путем измерения кинетических зависимостей изменения физических свойств. Установлены качественные закономерности влияния водорода на параметры, характеризующие ближнее -і дальне' атомное упорядочение металлических'систем. Получены численные значения изменения критической температурі- и вре-. мени атомного упорядочения в системе Me - Н , на основании которых предложены водородные технологии управления магнитными свойствами и водородопроницаемостьв конструкционных материалов, а также повышения их высокотемпературной прочности. Установлены безопасные температурные и временные интервалы эксплуатации изделии из металлов У группы и сплавов на их основе в газообразном водороде.
Реализация работы. Разработанные методики исследования и рекомендации, предложенные на основании результатов исследования кинетики атомного упорядочения, диффузии примесных атомов и диффузионных параметров водорода в конструкционных материалах, внедрены в промышленность с общим экономическим э^ектом **63 тыс. руб. в гот1. Полученные закономерности и эффекты использованы при разработке и выборе материалов для первоЯ стенки реакторов термоядерного синтеза.
Автор Зашизіает. Методические разработки в области исследования особенностей влияния водорода на процессы упорядочения в металлических системах.
Эффект снижения величины самопроизвольной намагниченности и среднего магнитного момента в системе ферромагнитный металл -водород.
Экспериментально установленные эффекты ускорения процессов самодиффузии, взаимодиффузии, формирования ближнего и дальнего атомного порядка, а также диффузии и упорядочения примесных атомов в наводорохенных сплавах на основе' переходных металлов. *-
Теоретические представления о механизме влияния водорода на процессы атомного упорядочения.
Водородные технологии управления водородопроницаемостью, магнитными и прочностными свойствами конструкцирнных материалов.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на УІІ, УШ и I* конференциях молодых ученых «*1И им. Г.З.Карпенко АН УССР (Львов, 1975, 1977, 1979 гг.), Всесоюзном семинаре "Водород з металлах" (Лонецк, 1977, 1982 гг., Москва, 1984 г.), Всесоюзной конференции по коллоидной химии и физико-химической механике (.Минск, 1977 г., Ташкент, 1983 г.), Всесоюзное! конференции "Современные проблемы повышения качества металла" (Донецк, 1978 г.), Всесоюзной конференции "Методы определения и исследования газов в металлах и неорганических материалах" (Ленинград, 1979 г.), Всесоюзном семинаре "Влияние водорода на механические свойства конструкционных материалов" (Харьков/ I960 г.), Всесоюзном совещании "Физико-химические проблемы высокотемпературной водородопроницаемости металлов"
(Львов, 1982 г., Днепропетровск, 1963 г.. Алма-Ата, 1985 г.), УІ Всесоюзной школе по проблемам атомно-водородной энергетики и технологии (Свердловск, 1989 г.). УН Международном конгресса по термической обработке (Москва, 1990 г.), 8-й Межотраслевой школе по йизике радиационных повреждений тверд го тела (Алуита, 1991 г.) а также на других конференциях, научных советах и школах.
Основные результаты работы отражены в 4 5 публикациях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, десяти глав, выводов и-приложения. Работа содержит ч32 страницы машинописного текста, включая 170 рисунков, 38 таблиц и перечень литературы из чбО наименований.
