Dissertation

2

ОГЛАВЛЕНИЕ

функция атомной электронной плотности;

результирующая электронная плотность в кристалле

6

ВВЕДЕНИЕ

Впервые о влиянии водорода на механические свойства металлов упоминается Джонсоном [1], [2] в 1875 г., где сообщается о снижении напряжений вязкого и хрупкого разрушений стали при наличии водорода.

Позже подобное явление было обнаружено и в других металлических системах. Однако в настоящее время нет четкого понимания механизмов водородного охрупчивания металлов.

Водород значительным образом изменяет свойства почти всех металлов. Исключение составляют Cu, Au, Ag и W, хотя, возможно, что при определенных условиях влияние водорода также имеет место [3]. Водород также образует хрупкие гидридные фазы с металлами Nb, V, Zr, Ti и

сплавами на их основе. Кроме того, взаимодействие с водородом, например,

титановых сплавов может приводить не только к охрупчиванию, но и (при определенных технологических условиях) к пластифицированию вплоть до появления водородной сверхпластичности, то есть к противоположному результату [4, 5]. Также явление сверхпластичности обнаружено в железе при температуре полиморфного превращения [6].

В течение последних десятилетий большим вниманием в кругу исследователей пользуется система Pd-H [7, 8, 9, 10] из-за перспективы практического применения (палладий является основным материалом для диффузионной очистки водорода [11] и применяется в качестве катализатора при получении водорода из углеводородов). Кроме того, система Pd-H

является модельной при изучении систем металл-водород. Также большой интерес вызывает система Zr-H из-за ряда интересных особенностей,

вызванных фазовыми переходами в подрешетке водорода (см., например, [12, 13]), и склонности Zr к сильному наводороживанию и охрупчиванию

[14].

Актуальность темы. Исследование физических механизмов водородного охрупчивания и деградации механических свойств

7

металлических материалов является фундаментальной научной задачей [15].

Имеющиеся в настоящее время актуальные научно-технологические

«открытые» вопросы касаются:

1 Металловедческих аспектов технологической совместимости водородных и металлических сред.

2 Взаимосвязи процессов старения металлических материалов с явлением водородного охрупчивания.

3 Возрастающей актуальности водородной энергетики и связанных с ней задач получения, применения, хранения и транспортировки водорода.

Рассмотрим более подробно аспекты данной проблемы.

Экспериментально установлены следующие основные особенности поведения систем сталь-водород [16]:

-растворимость водорода в стали зависит от температуры и подчиняется закону Сивертса;

-коэффициент диффузии водорода в ОЦК-сплавах железа аномально высокий по сравнению с другими примесями;

-растворенный водород взаимодействует с дефектами кристаллического строения, конденсируясь в энергетических ловушках;

-хрупкость максимально проявляется в ОЦК-сплавах железа –

ферритных сталях, в значительно меньшей степени – в аустенитных; - при повышении концентрации водорода его влияние усиливается,

достигая определенного уровня; - сильный эффект охрупчивания может возникать при следовых

(меньше единицы ppm) концентрациях;

-как правило, хрупкость обратима – после удаления водорода из металла свойства полностью восстанавливаются;

-водородная хрупкость становится необратимой при увеличении концентрации водорода выше некоторого критического уровня или при увеличении длительности его взаимодействия с металлом;

8

-чувствительность к водородному охрупчиванию определяется микроструктурой стали;

-степень охрупчивания зависит от величины, вида и распределения напряжений;

-влияние водорода ослабляется с повышением скорости деформации;

-хрупкость максимально проявляется при температуре металла,

близкой к нормальной;

-степень охрупчивания зависит от концентрации углерода в металле;

-концентраторы напряжений значительно усиливают действие водорода.

Также считается, что хрупкость, обусловленная водородом,

проявляется тем резче, чем выше прочность материала и меньше растворимость водорода в кристаллической решетке. Наиболее сильное охрупчивание наблюдается в закаленных сталях с мартенситной структурой

[17].

Из вышесказанного очевидно, что проблема водородного охрупчивания сложна и специфична. Несмотря на интенсивные исследования в данной области в течение последних десятилетий,

водородная деградация металлов все еще остается нерешенной проблемой физики металлов, теоретического и практического материаловедения [16].

За время изучения систем металл-водород предложено множество механизмов влияния водорода на свойства металлов, вот некоторые из них

[2, 3]:

- механизмы, включающие в себя давление водорода в объеме металла,

то есть давление водорода в пустотах металла вызывает значительное напряжение для образования и распространения трещины;

- снижение прочности связи решетки металла при наличии водорода - HEDE-механизм (hydrogen-enhanced decohesion);

9

- аккумуляция водорода на частицах различных включений (в том числе частицах второй фазы), что приводит к образованию дислокаций,

образованию и распространению трещин;

-образование, рост и раскалывание хрупких гидридов;

-снижение энергии дефектов упаковки при наличии водорода, что усиливает возможность скольжения по плоскостям упаковки;

-образование микротрещин и микропор из-за увеличения плотности вакансий, вызванных напряжением, и их стабилизации водородом;

-испускание дислокаций с поверхности, вызванное адсорбцией водорода;

-появление усиленной водородом локальной пластичности – HELP-

механизм (hydrogen-enhanced localized plasticity).

Наиболее жизнеспособными механизмами в настоящее время считают

(см., например, [18]): механизм усиленной водородом локальной пластичности (HELP-механизм) [19-26], механизм индуцированной водородом атомной декогезии (HEDE–механизм) [27-32], механизм образования хрупких гидридов [33, 34].

В ряде публикаций (см., например, [35]) помимо трех перечисленных называется еще один механизм, связанный с эмиссией дислокаций,

вызванной адсорбцией (AIDE – adsorption induced dislocation emission).

Отдельно стоит отметить работу [36], в которой явление водородного охрупчивания представлено как фазовый переход первого рода.

Металлом для исследования в настоящей работе выбран Fe. Такой механизм как охрупчивание вследствие образования гидридов признан для железа несостоятельным [37]. Железо образует гидриды FeH лишь при высоких давлениях и низких температурах [38].

Задачи, которые могут быть поставлены в научной работе по данной теме, обусловлены следующими научными проблемами. Отсутствуют прямые экспериментальные свидетельства в пользу HEDE-механизма,

10

поэтому данный механизм вызывает множество разногласий и споров. HELP-механизм хорошо подтвержден экспериментальными результатами,

однако полная картина деградации свойств металлов не сформирована.

Кроме того, отсутствует теоретическое обоснование HELP-механизма.

Численное моделирование, которое находится на стыке экспериментальной и теоретической научных областей, является мощным инструментом, и

позволит улучшить понимание механизмов протекания процессов водородного охрупчивания.

Объектом исследования является проблема водородного

охрупчивания в системе Fe-H.

Предметом исследования являются процессы охрупчивания и деградации механических свойств железа под влиянием водорода,

математические модели таких процессов; межатомное взаимодействие в системе Fe-H.

Цель работы заключается в исследовании влияния водорода на механические свойства железа методом классической молекулярной динамики.

Достижение поставленной цели возможно посредством решения следующих задач:

-разработать математические модели и методики вычислительных экспериментов по моделированию влияния водорода на прочностные свойства ОЦК-Fe;

-рассчитать функции межатомного взаимодействия в рамках ЕАМ-

приближения (Метод погруженного атома - Embedded-atom method) для системы Fe-H;

- провести вычислительные эксперименты по моделированию деформированных состояний в идеальных системах ОЦК-Fe; численно выявить особенности деформаций вдоль различных кристаллографических направлений;