НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ МЕТАЛОФІЗИКИ ім. Г.В.Курдюмова

На правах рукопису

УДК 539.2

ШИВАНЮК Владислав Миколайович

МЕХАНІЗМИ ВОДНЕВОГО ОКРИХЧЕННЯ СПЛАВІВ

НА ОСНОВІ ЗАЛІЗА З ГЦК ГРАТКОЮ

Спеціальність 01.04.13 – фізика металів

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Київ – 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України та Лілльському науково-технічному університеті (Франція)

Науковий керівник: д.т.н., проф. Гаврилюк Валентин Геннадійович, Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України, м. Київ, завідувач відділом

Офіційні опоненти: Член-кор. НАН України Фірстов Сергій Олексійович, Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, м. Київ, заступник директора

д.ф-м.н., Котречко Сергій Олексійович, Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України, м. Київ, завідувач відділом

Провідна організація: Київський Національний Університет ім. Тараса Шевченка

Захист відбудеться 13 лютого 2002 р. о 14 годині на засіданні Спеціальної ради Д 26.168.01 Інституту металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України за адресою: 03142, м. Київ, бульвар Вернадського, 36, ІМФ ім. Г.В. Курдюмова НАН України.

Відгуки на автореферат, завірені печаткою закладу, у двох примірниках, просимо надсилати за адресою: 03680, ГСП, Київ-142, Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України. Вченому секретарю Спец. ради д.ф.-м.н. Піщаку В.К., тел.: (044) 444-95-27.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Інституту металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України.

Автореферат розісланий 18 грудня 2001 р.

Вчений секретар Спеціалізованої ради

доктор фіз.-мат. наук Піщак В.К.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми

Відповідно до сучасних уявлень, існує три альтернативні гіпотези щодо механізму водневого окрихчення конструкційних матеріалів. Перша - окрихчення за рахунок декогезії, друга - воднево-стимульованого мартенситного перетворення і утворення гідридів та третя - окрихчення, яке обумовлене стимульованою воднем локальною плинністю. Всі три механізми водневого окрихчення однаково ймовірно можуть реалізуватися в аустенітних сталях, але однозначної відповіді який саме не існує. Аустенітні сталі відносяться до перспективних конструкційних матеріалів з хорошими механічними властивостями. Дедалі частіше ці сталі використовуються для роботи в агресивних середовищах, до яких відноситься і середовище водню. Отже, дослідження процесів, що проходять при насиченні воднем аустенітних сталей та при його дегазації, електронної структури наводнених сталей, термодинамічних характеристик атомів водню, механічних властивостей наводнених сталей та впливу на них легуючих елементів та насамперед визначення механізму, що призводить до крихкого руйнування сплавів з ГЦК граткою, були б цінною базою для створення нових сплавів, стійких до негативного впливу водню. Важливо також використати нові методи або методи, які раніше не використовувались для дослідження водневого окрихчення, аби стандартизувати процедуру визначення придатності матеріалу до роботи в агресивному водневому середовищі.

Мета роботи

Визначення механізму водневого окрихчення в сплавах на основі заліза з ГЦК граткою.

Для досягнення мети були сформульовані та вирішені такі завдання:

- визначення впливу водню на міжатомний зв’язок в сплавах;

- дослідження впливу водню на фазові перетворення та механічні властивості досліджуваних сталей;

- проведення досліджень, що визначають вплив водню на рухливість дислокацій;

- визначення термодинамічних характеристик розчинiв атомiв водню в аустенiтних сталях.

Наукова новизна роботи

В роботі проведена перевірка трьох основних гіпотез щодо механізму водневого окрихчення аустенітних нержавіючих сталей.

Вперше запропоновано механізм переходу від посиленої воднем локалізації пластичної деформації до макротріщини по площині (111), хоча в класичному випадку крихкого сколу тріщина розповсюджується по (100) площині.

Вперше методом електронного спінового резонансу визначено, що водень зумовлює підвищення концентрації вільних електронів в аустенітних сталях.

За допомогою досить простого експерименту доведено, що фазове перетворення, обумовлене воднем не є критичним фактором водневого окрихчення нержавіючих сталей.

Вперше показано, що методом амплітуднозалежного внутрішньго тертя можна дослідити вплив водню на рухливість дислокацій та початкову напругу, при якій починають працювати джерела дислокацій.

Встановлено кореляцію між ентальпією міграції атомів водню, що залежить від складу сплавів, та степенем окрихчення, зумовленого воднем, що оцінюється як відносне зменшення залишкової деформації.

Практична цінність та реалізація результатів роботи

Проведені в дисертаційній роботі дослідження дозволили прояснити механізм водневого окрихчення в аустенітних нержавіючих сталях та створити теоретичну базу для розробки нових конструкційних матеріалів, а саме сплавів на основі заліза з ГЦК граткою, стійких до негативного впливу водню. Одержані в роботі результати щодо впливу наводнювання на силу міжатомного зв’язку, фазові перетворення та ступінь водневого окрихчення сталей підтверджують невідповідність декогезійної гіпотези водневого окрихчення та гіпотези, пов’язаної з фазовими перетвореннями. Отримані результати також показали, що важливим фактором в процесі розтріскування, обумовленого воднем є швидкість міграції атомів водню в аустенітній гратці, мірою якої є ентальпія міграції. Показано, що легуючі елементи по різному впливають на цей параметр. Отже, варіюючи хімічний склад сталі, наперед знаючи як той чи інший елемент впливатиме на стан атомів водню та на механічні властивості досліджуваних матеріалів, можна знайти ряд оптимальних складів сплавів з необхідними механічними властивостями та стійкими до водневого окрихчення, що так необхідні на теперішній час, коли йде інтенсивний пошук альтернативних джерел енергії, розробка технологій щодо створення принципово нових двигунів і т. д., що в тій чи іншій мірі пов’язано з найлегшим елементом періодичної системи –воднем.

Апробація роботи

По основним результатам роботи та її окремим положенням зроблені доповіді на:

1. IV Міжнародній конференції мододих вчених "Doctoriales" (м. Вілльнев, Франція) (IV Confйrence International “ ”, Villeneuve d'ASCQ, France)

2. Семінарі з напрямку "Міцність, пластичність, фазові перетворення та фазові рівноваги" Інституту металофізики НАН України (річний звіт по стипендії Національної Академії Наук), 12 вересня 2001 року.

3. “Бернштейновские чтения” по термомеханической обработке металлических материалов, 24-25 октября 2001 года, г. Москва, Россия.

Положення дисертації, що виносяться на захист

- найбільш вірогідним механізмом водневого окрихчення є посилена воднем локалізація пластичної деформації

- водень підвищує густину вільних електронів в сталі, що може бути причиною посиленої воднем локалізованої пластичності внаслідок нерівномірного розподілу водню

Публікації

За темою дисертації опубліковано 4 роботи. Перелік публікацій подано в кінці автореферату.

Особистий внесок автора в одержання наукових результатів

Особистий внесок автора полягає в висуненні ідей вiдносно перевiрки ролi фазових перетворень у водневiй крихкостi, впливу водню на напругу старту дислокацiйних джерел та швидкiсть дислокацiй, механiзму переходу вiд пiдсиленої воднем локалiзованоi мiкропластичної деформацii до макрокрихкого руйнування, виконанні експериментальної частини роботи та обробці експериментальних даних. Автор приймав безпосередню участь в обговоренні та написанні статей.

Структура та об’єм дисертації

Дисертація складається з вступу, трьох розділів та висновків. Матеріал викладений на ____ сторінках, містить ____ рисунків, ____ таблиць, бібліографічний список із _____ найменувань.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі показана актуальність теми, що складає предмет досліджень, мета та наукова новизна роботи.

Перший розділ дисертації присвячений огляду основних експериментальних даних стосовно процесів, що відбуваються при насиченні сталей воднем. Розглядається три основних гіпотези щодо механізму водневого окрихчення: 1) декогезійна гіпотеза, вперше запропонована Трояно [1]; 2) гіпотеза, пов’язана з фазовими перетвореннями, ініційованими воднем, що зауважувалась багатьма авторами [2-4] та 3) гіпотеза про посилену воднем локалізовану пластичність, винайдена та розвинута Бірнбаумом [5]. Описано переваги та недоліки кожної з них.

В другому розділі описано стандартні та оригінальні методики, що застосовувались під час досліджень, а також досліджувані сталі та сплави, їх одержання та методика наводнювання. В роботі використовувались аустенітні нержавіючі сталі з різним вмістом легуючих елементів, таких як хром, нікель, марганець, молібден та кремній та монокристали залізо-хром-нікелевої сталі.

Наводнювання зразків проводилось катодним методом, де в якості анода використовувалась платина, електролітом служив розчин сірчаної кислоти з добавкою 125 мг/л арсеніда натрію. Густина струму поляризації знаходилась в діапазоні від 10 до 50 мА/см2.

Месбауерівські дослідження проводились на установці МС 1101Е, яка прцює в режимі постійного прискорення. В якості джерела гамма-квантів використовувався 57Cr в матриці Rh. Спектрометр обладнаний кріостатом, що дозволяє отримувати спектри в діапазоні температур від 80 до 300 К. Отримані спектри оброблялись за допомогою програми UNIVEM, спеціально створеної для цих цілей.

Експерименти по визначенню густини вільних електронів проводились на електронному спін резонансному спектрометрі в Інституті напівпровідників НАН України, м. Києві. Робоча частота спетрометра 9.386 ГГц. В якості реперного зразка використовувалось боратне скло, що мало 1015 електронних спінів.

Дослідження за допомогою метода внутрішнього тертя проводились на установці в Інституті металофізики ім.Г.В. Курдюмова. Діапазон частот, на яких знімались температурні залежності, знаходився в межах 0.3 – 5.0 Гц.

Для дослідження впливу водню на фазові перетворення використовувався рентгенівський дифрактометр SIEMENS з кобальтовою трубкою, а для механічних випробувань – розривна машина виробництва МОЗ “Весмаш”, 1992 року.

В якості зразків використовувались пластини, дріт різного діаметру та тонкі фольги.

Третій розділ присвячений результатам експериментальних досліджень та їх обговоренню. Вплив водню на силу міжатомного зв’язку було досліджено за допомогою месбауерівської спектроскопії та електронного спінового резонансу. Температура Дебая, яка є однією з величин, що характеризує силу зв’язку між атомами була визначена із температурної залежності площі під месбауерівським спектром та ізомірного зсуву. Приклад спектру, отриманого при температурі 80 К показано на Рис. 1.

Рис.1. Месбауерівскі спектри сталі Cr18Ni16Mn10, 1 – перед наводнюванням (1) и після при 20 ?C, 50 mA/cm2, 48 г.

Температурна залежність S(T) – площі під спектром може бути аппроксимована наступним рівнянням:

(1)

де, R и k – енергія віддачі ядра залізаза і константа Больцмана, відповідно, D - температура Дебая, S(0) – площа під експериментальним спектром при Т = 0 К.

Функція апроксимації для температурного зсуву (T) має наступну форму:

(2)

де (0) – позиція центра ваги лінії спектра при 0 К.

Температурна залежність площі під спектром ненаводненого зразка і того, що відповідає атомам заліза в насиченому воднем приповерхневому шарі при катодній зарядці при кімнатній температурі, показані на Рис. 2. На вставці показані дані для ізомірного зсуву зразка, наводненого при 72 оС та ненаводненого.

Рис. 2. Вплив водню на температурну залежність площі під спектром для наводненого та ненаводненого зразків сталі Cr18Ni16Mn10.

Видно, що температури Дебая, отримані двома шляхами, показують однакову тенденцію до підвищення після наводнювання, з чого можна зробити висновок, що при насиченні воднем міжатомний зв’язок в аустенітних сталях зміцнюється. З отриманих результатів можна зробити висновок, що вивчення впливу водню на міжатомний зв’язок в наближені Дебая не підтверджує гіпотезу про послаблення цього зв’язку воднем. Але треба зауважити, що існує деяке обмеження в висновках щодо вивчення динаміки гратки в пересичених твердих розчинах. Оскільки концентрація водню в аустенітних сталях досягає високих значень, до cH/cMe=0.6, динамічним зсувам атомів можуть перешкоджати атоми водню, що займають сусідні міжвузля, що може призвести до фіктивного подвищення температури Дебая.

Як було сказано раніше, іншим способом охарактеризувати зміну сили міжатомного зв’язку, обумовлену воднем є визначення концентрації вільних електронів використовуючи метод електронного спінового резонансу.

Сигнали електронного спінового резонансу до, після наводнювання та після подальшого виходу водню із зразка сталі Cr18Mn20N0.88, показані на Рис. 3. Їх інтенсивності пропорційні концентрації вільних електронів. Концентрація вільних електронів в сталі без водню дорівнює 0.41022 cm-3, а в сталі з воднем - 81022 cm-3, тобто в 20 разів більша.

Рис. 3. Cигнали електронного спінового резонансу сталі Cr18Ni20N0.88 після наводнювання та після старіння при кімнатній температурі.

Рис.3а. Сигнал електронного спінового резонансу ненаводненого зразка та теоретична лінія ЕСР (пунктир) для парамагнітних кластерів СrN.

Таким чином, в аустенітних сталях водень посилює металічний характер міжатомного зв’язку. Посилення металічного зв’язку свідчить про ослаблення міжатомної взаємодії, оскільки металічний зв’язок слабший ніж ковалентний. Тим не менш, цей результат не узгоджується з декогезійною гіпотезою, оскільки металічний зв’язок не може сприяти крихкому руйнуванню. Навпаки, він полегшує рух дислокацій і повинен сприяти релаксації напруг, що виникають.

Наступний етап роботи був присвячений фазовому перетворенню гцк - гшу в аустенітних нержавіючих сталях та їх ролі в явищі водневого окрихчення. Основним експериментальним фактом того, що формування гщу фази є причиною водневого окрихчення є те, що площина габітуса цієї фази в аустенітних сталях (111) є тою ж, що і площина руйнування, обумовленого воднем.

Найкращий метод перевірити роль нової фази в водневому окрихченні – це використати легування сталі елементами, які впливають на ступінь перетворення та ступінь водневого окрихчення в потилежних напрямках. Кандидатом на цю роль є кремній, оскільки він знижує енергію дефектів пакування аустеніту та сприяє утворенню фази в сплавах на основі заліза. З іншого боку, кремній відомий як елемент, легування котрим підвищує стійкість корозійному розтріскуванню під навантаженням. А оскільки друга стадія в кінетиці корозійного розтріскування под навантаженням контролюється воднем, логічно те, що кремній має подвишувати стійкість до водневого окрихчення.

В роботі показано, що дійсно, легування кремнієм призводить до появи більшої кількості мартенситу, стабільність якого вища ніж стабільність мартенситу в сталі без кремнію. Були також визначенні так звані псевдо-ентальпії зворотьнього фазового перетворення методом, запропонованим Міттемайєром [5], для двох сталей з кремнієм та без кремнія. Отримано такі величини ентальпій: для сталі з кремнієм – 0.66 еВ, для сталі без кремнію – 0.56 еВ. Величина останньої дуже близька до значення ентальпії міграції атомів водню в цій же сталі, з чого можна зробити висновок, що процес зворотнього переходу контролюється дифузією водню.

Механічні випробування, результати яких наведені в Таблиці 1, що були проведені на сталях з тим же вмістом елементів, показали, що сталь з кремнієм є більш стійкою до водневого окрихчення, аніж сталь без кремнія.

Таблиця 1

Cталь | Ненаводнена | Наводнена | ВО,

%

Rp0.2,

MPa | Rm,

MPa | 0, % | Rp0.2,

MPa | Rm,

MPa | H, %

Cr25Ni20 | 149 | 393 | 6.4 | 166 | 277 | 2.5 | 65

Cr25Ni20Si3 | 197 | 389 | 7.4 | 192 | 356 | 4.5 | 39.2

Таким чином, можна зробити висновок, що фазове перетворення аустеніту в мартенсит, що проходить під впливом водню, не є критичним фактором явища водневого окрихчення.

Третя гіпотеза про механізм водевого окрихчення аустенітних сталей воднем – про посилену воднем локалізовану пластичність. Для перевірки цієї гіпотези був вибраний метод амплітуднозалежного внутрішнього тертя.

Амплітудна залежність логарифмічного декремента для сталі 25Cr20Ni при 120 К показана на Рис. 4. Затухання починає залежати від амплітуди деформації, як тільки досягається деяка критична деформація, що відповідає напрузі старта дислокаційних джерел. З рисунку видно, що водень зменшує цю деформацію, при якій з’являється мікропластичність. В той же час, він підвищує нахил амплітуднозалежної частини спектру, де величина затухання пропорційна площі, яку проходять дислокації за один цикл обертання маятника. Отже, підвищення внутрішнього тертя у амплітуднозалежній області означає ріст швидкості руху дислокацій.

Рис. 4. Спектри амплітуднозалежного внутрішнього тертя для сталі Cr25Ni20 до, після наводнювання та після відпалу при 373 К в продовж 1 години.

Зауважимо, що при дегазації водню, величина внутрішнього тертя повертається до величини, яка була перед наводнюванням, за винятком невеликого додаткового затухання по всьому діапазону деформацій, що, певно, обумовлено дефектами кристалічної гратки, що виникли завдяки водню, так що ми можемо спостерігати наскільки малий їх внесок.

Таким чином, амплітудозалежне внутрішнє тертя дозволяє зареєструвати зменшення початкової напруги мікропластичної деформації та збільшення швидкості дислокацій, що узгоджується з гіпотезою про локалізовану воднем пластичність.

Локалізація воднем пластичної деформації пов’язана з його нерівномірним розподілом в матеріалі, що знаходиться під навантаженням. Внаслідок високої рухливості, атоми водню скопичуються переважно в зонах дилатації. Звідси випливає, що час міграції атомів водню в кристалічній гратці є важливим фактором, який контролює водневе окрихчення. Звичайно, стійкість конструкційних матеріалів до водневого окрихчення оцінюють по воднепроникності. Однак, в цю характеристику дають внесок дефекти кристалічної будови як то границі зерен, дислокації, вакансії, які є пастками для атомів водню і густину яких важко стандартизувати при вимірюваннях. Тому в роботі використано метод внутрішнього тертя для визначення ентальпії міграції атомів водню в кристалічній гратці по релаксації Снука. Ця релаксація обумовлена одинарними стрибками атомів водню в ГЦК гратці під прикладеним навантаженням, а їх енергія активації дорівнює ентальпії міграції водню.

Рис. 5. Спектри внутрішнього тертя сталі Cr17Ni19Mn11 для 4-х частот (зверху) та температурна залежніть частоти коливань зйомки для двох зразків.

Як приклад, на Рис.5 показані спектри внутрішнього тертя наводненої сталі 17Cr19Ni11Mn в діапазоні температур від 80 до 450 К. Спектри внутрішнього тертя отримані на 4-х різних частотах. Вони мають два релаксаційних піки в області температур 200-300 К та два гістерезисних при температурах вище 350 К. Релаксаційні піки супроводжуються зменшенням модуля зсуву та при підвищенні частоти зміщуються до вищих температур.

Релаксаційний пік, який спостерігається при температурі 200 К на частоті біля 1 Гц, обумовлений стрибками атомів водню в аустеніті і складається насправді з двох піків з днією і тією ж ентальпією активації, але різними величинами передекспоненційного множника, що характерно для орторомбічних дефектів.

Вимірювання орієнтаційної залежності сили релаксації, спектри якої представлені на Рис. 6, які були проведені на монокристалах, показують, що симетрія некубічних дефектів, відповідальних за релаксацію є не вищою за орторомбічну. Приклад такого дефекту представлений на Рис. 7.

Рис. 6. Спектри внутрішнього тертя зразків монокристалу сталі Cr25Ni20 різної орієнтації. Орієнтаційна залежність сили релаксації показана на вставці.

Використовуючи частотний зсув, можна дослідити вплив легуючих елементів на міграційні характеристики атомів водню. Як приклад, обробка експериментальних даних в координатах Ареніуса, що показана на вставці до Рис. 5. Одержані значення ентальпії міграції атомів водню показані в Таблиці 2. З отриманих даних видно, що хром, мартагець, молібден та кремній уповільнюють рух атомів водню, в той час як нікель сприяє цьому.

Рис. 7. Приклад орторомбічного дефекту (в центрі – атом водню, на гранях – атоми домішки)

Таблиця 2

Сталь | Ненаводнена | Наводнена | ВО,

% | EH, eВ

0.008

Rp0.2,

MПa | Rm,

MПa | 0, % | Rp0.2,

MПa | Rm,

MПa | H, %

Cr17Ni12Mn17 | 166 | 381 | 19.3 | 215 | 334 | 9.9 | 48.7 | 0.535 | Cr18Ni18Mn16 | 164 | 414 | 23.8 | 206 | 351 | 9.6 | 59.7 | 0.528 | Cr17Ni19Mn11 | 139 | 359 | 8.7 | 182 | 233 | 2.7 | 68.2 | 0.471 | Cr12Ni18Mn16 | 143 | 269 | 10.4 | 205 | 253 | 4.1 | 60.6 | 0.517 | Cr18Ni18Mn11Mo2 | 156 | 371 | 15.1 | 219 | 284 | 5.3 | 65.4 | 0.495 | Cr18Ni16Mn10Si2 | 227 | 339 | 4.18 | 247.5 | 332 | 2.82 | 32.5 | 0.531 | Cr25Ni20 | 149 | 393 | 6.4 | 166 | 277 | 2.5 | 65 | 0.52 | Cr25Ni20Si3 | 197 | 389 | 7.4 | 192 | 356 | 4.5 | 39.2 | 0.575 |

Було також перевірено вплив легуючих елементів на механічні властивості цих сталей. Водень обумовлює підвищення межі плинності та зменшення пластичності. Отримані результати показані в Таблиці 2, а типові криві механічних випробувань – на Рис. 8. З результатів видно, що нікель підвищує пластичність в ненаводненій сталі. Наводнювання призводить до протилежного ефекту і з підвищенням вмісту нікеля крихкість теж зростає.

Рис. 8. Типові криві механічних випробувань для двох типів сталі, наводнених при повехневій густині струму 10 мА/см2.

Марганець підвищує стійкість водневій атаці. Про благотворний вплив кремнію було сказано вище. На жаль, по отриманим даним важко судити про вплив хрома, в той час як молібден, схоже, зменшує ефект водневого окрихчення.

Можна помітити кореляцію між значеннями ентальпії міграції атомів водню та водневим окрихченням. Незважаючи на різні початкові величини пластичності в ненаводнених сталях, зменшення відносного видовження після наводнювання завжди більше чи менше, в залежності від значення ентальпії міграції.

Отримані результати дозволяють запропонувати наступну модель псевдокрихкого руйнування, обумовленого воднем. Локалізація воднем пластичної деформації призводить до того, що в наводнених сплавах заліза переважає планарне ковзання дислокацій. Площиною ковзання є (111). Оскільки енергія дефектів пакування досить сильно знижується, на шляху руху дислокацій стають завадою бар’єри Ломер-Котрела. Мікротріщини, створені плоским скупченням дислокацій перед цими бар’єрами, розкриваються вздовж неактивної площини (111). Цим і пояснюється той факт, що площиною водневого руйнування є площина (111), а не (100), як це повинно було б бути у випадку класичного крихкого руйнування сколом.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Завдяки атомам водню зменшуються динамічні атомні зміщення, що відповідає посиленню зціплення атомів в наближенні Дебая. Цей ефект може бути обумовлений механічним гальмуванням атомних коливань завдяки атомам втілення в твердих розчинах. Водень підвищує концентрацію вільних електронів в аустенітних сталях, тобто послаблює зв’язок між атомами. Тим не менш, посилений металічний характер міжатомного зв’язку не може бути відповідальним за крихкість і не узгоджується з декогезійною гіпотезою водневого окрихчення.

2. В присутності водню фаза є термодинамічно більш стабільною ніж фаза навіть при відсутності механічних напруг. Тим не менш, показано, що не існує кореляції між формуванням фази, що обумовлена воднем, та зменшенням пластичності аустенітних сталей, що знову ж таки не узгоджується з псевдогідридною гіпотезою.

3. Обумовлене воднем зменшення початкової напруги старта дислокаційних джерел та підвищення рухливості дислокацій підтверджено методом амплітуднозалежного внутрішнього тертя, що узгоджується з гіпотезою про посилену воднем локальну пластичність.

4. Знайдена кореляція між впливом легуючих елементів на ентальпію міграції атомів водню в аустенітній гратці та обумовленим воднем погіршенням пластичності.

5. Запропоновано ймовірний механізм переходу від посиленої воднем локалізації пластичної деформації до макроскопічної тріщини, який базується на прискоренному воднем планарному ковзанні, формуванні бар’єрів Ломер-Котрелла на (111) площинах, відкритті мікротріщин плоскими скупченнями дислокацій та з’єднанні тріщин по неактивним (111) площинам.

Список використаної літератури

1. Whiteman M. B., Troiano A. R. Hydrogen embrittlement of austenitic stainless steel //Corrosion.–1965.–Vol. 21.-P.53-56.

2. Breedis, J.F. Martensitic transformation in Fe-Cr-Ni alloys //Trans. AIME.– 1964.–Vol. 230.-P.1583-1596.

3. Holzworth M.L., Louthan M.R., Jr. Hydrogen-induced phase transformation in type 304L stainless steels // Corrosion.– 1968.–Vol. 24.-P.110-124.

4. Narita N., Alstetter C.J., Birnbaum H.K. Hydrogen-related phase transformations in austenitic stainless steels // Metall. Trans. A.-1982.-Vol. 13.-P.1355-1365.

5. Birnbaum H.K., Sofronis P. Hydrogen-enhanced localized plasticity – a mechanism for hydrogen-related fracture // Mater. Sci. Eng.– 1994.–Vol. A176.-P.191-202.

6. Mittemeijer E.J. Analysis of the kinetics of phase transformations // Jour. Mater. Sci.– 1992.–Vol. 27.-P.3977-3987.

Основні положення дисертації викладені у публікаціях:

1. Shanina B.D., Gavriljuk V.G., Kolesnik S.P., Shivanyuk V.N. Paramagnetic spin resonance in hydrogen-charged stainless austenitic steel //Journal of Physics D: Applied Physics.–1999.–Vol. 32.–P.298-304.

2. Shivanyuk V.N., Shanina B.D., Tarasenko A.V., Gavriljuk V.G., Foct J. Effect of hydrogen on atomic bonds in austenitic stainless steel //Scripta materialia.–2001.–Vol. 44.–P.2765-2773.

3. Shivanyuk V.N., Foct J., Gavriljuk V.G. Hydrogen-enhanced microplasticity of austenitic steels studied by means of internal friction //Materials Science and Engineering A.–2001.–Vol. 300.– P.284-290.

4. Shivanyuk V., Foct J., Gavriljuk V. Migration of hydrogen atoms in austenitic lattice and mechanical properties of hydrogen-charged austenitic steels //Metallofiz. Noveishie Tekhnol.-2001.-Vol. 23. No 8.-P.1041-1048.

Ключові слова: водень, пластичність, внутрішнє тертя, релаксація, міжатомний зв”язок, фазове перетворення.

Шиванюк В.М. Механізми водневого окрихчення в сплавах на основі заліза з ГЦК граткою. Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.13 – фізика металів, Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАНУ, Київ 2001 р. Захищається 4 наукових роботи, які містять експериментальні дослідження механізмів водневого окрихчення в аустенітних нержавіючих сталях. Встановлено, що водень обумовлює підвищення концентрації вільних електронів в аустенітних сталях. Досліджено також вплив легуючих елементів на ентальпію активації релаксації водню та рівень водневого окрихчення. Знайдена кореляція між цими величинами. Встановлено, що фазові перетворення, обумовлені воднем, не є критичним фактором у водневому окрихченні. Запропоновано ймовірний механізм переходу від посиленої воднем локалiзованої пластичної деформації до макроскопічної тріщини, формуванні бар’єрів Ломер-Коттрелла на активних (111) площинах, відкриття мікротріщин плоскими скупченнями дислокацій та з’єднання тріщин по неактивним площинам (111).

Ключові слова: водень, пластичність, внутрішнє тертя, релаксація, міжатомний зв’язок, фазове перетворення.

Шиванюк В.Н. Механизмы водородного охрупчивания в сплавах на основе железа с ГЦК решеткой. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.13 – физика металлов, Институт металофизики им. Г.В. Курдюмова НАНУ, Киев 2001 г. Защищаются 4 научных работы, содержащие результаты экспериментальных исследований механизмов охрупчивания, обусловленного водородом в аустенитных нержавеющих сталях. Методом мессбауэровской спектроскопии показано, что насыщение водородом аустенитной нержавеющей стали приводит к повышению температуры Дебая, которая является одной из характеристик силы межатомной связи в материале. Однако применение этого метода кажется некорректным к пересыщенным твердым растворам, каковым является система сталь-водород. Методом электронного спинового резонанса установлено, что водород повышает концентрацию свободных электронов в аустенитных нержавеющих сталях, что говорит об усилении металлического характера связи. Установлено, что фазовые переходы, обусловленные водородом, не являются критическим фактором в водородном охрупчивании, а полученные величины энтальпии активации фазового перехода позволяют заключить, что этот процесс контролируется диффузией водорода. Методом амплитуднозависимого внутреннего трения показано, что наводораживание понижает напряжение старта дислокационных источников, а также повышает подвижность дислокаций, что согласуется с гипотезой об усиленной водородом локализованной пластичности. Предполагается, что усиленная водородом локализованная пластичность может быть обусловлена повышением концентрации электронов проводимости (усилением металлического характера межатомной связи) и неравномерным распределением водорода в материале. Исследовано также влияние легирующих элементов на энтальпию активации релаксации водорода и степень водородного охрупчивания. Найдена корреляция между этими двумя величинами. Характер ориентационной зависимости силы релаксации, полученной методом внутреннего трения на монокристаллах, говорит о том, что симметрия дефектов, отвечающих за релаксацию не превышает орторомбическую.

Предложен вероятный механизм перехода от усиленной водородом локализации пластической деформации к макроскопической трещине, который базируется на ускоренном водородом планарном скольжении, формировании барьеров Ломер-Коттрелла на активных (111) плоскостях, открытии микротрещин плоскими скоплениями дислокаций и соединении трещин по неактивным (111) плоскостям.

Ключевые слова: водород, пластичность, внутреннее трение, релаксация, межатомная связь, фазовое превращение.

Shyvanyuk V.M. Mechanisms of hydrogen embrittlement in Fe-based alloys with FCC lattice. Thesis of candidate’s degree on physical and mathematical sciences, speciality 01.04.13 –physics of metals, Kurdumov’s Institute of Metal Physics, National Academy of Sciences of Ukraine, Kiev, 2001. Four scientific papers containing the experimental studies of mechanisms of embrittlement caused by hydrogen in austenitic stainless steels are defended. It has been found that hydrogen introduced by cathodic charging increases the concentration of free electrons in these steels, which means that it strengthens a metallic character of interatomic bonds. It was shown that phase transformations are not a critical factor of hydrogen embrittlement. It has been investigated the influence of alloying elements on the enthalpy of activation of the hydrogen-caused relaxation and degree of hydrogen embrittlement. A correlation between these two characteristics was found. A possible mechanism of transition from the hydrogen-enhanced localisation of plastic deformation to the macroscopic fracture of austenitic steels is proposed based on the hydrogen-assisted planar slip, formation of the Lomer-Cottrell barriers on active (111) planes, opening of microcracks by the pileups and merging of the cracks on non-active (111) planes.

Keywordshydrogen, plasticity, internal friction, relaxation, interatomic bonds, phase transformation.