автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Упрочнение ниобия и его сплавов с водородом при водородотермической обработке

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ

ДОНЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

РГЗ

ВЛАСЕНКО Николай Николаевич

УПРОЧНЕНИЕ НИОБИЯ И ЕГО СПЛАВОВ С ВОДОРОДОМ ПРИ ВОДОРОДОТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ

Специальность 05.16.01 - металловедение и термическая обработка металлов

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических паук

На правах рукописи

Донецк - 1995 /

Диссертацией является рукопиоъ

Работа выполнена в Донецком Государственном техническом университете

Научный руководитель - доктор технически наук, профессор

х*сльцсв икхтор ¿иекс^анич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Горбач Всеволод Х'ригорьевнч

кандидат технических наук, дсдент цишшскиа ывдамир иикторонич

Ведущая организация Институт проблем материаловедения

им.К.Н.Юранценича НАН Украины

Защита состоится "21" декабря 1995г. в _ часов на

ааседании специализированного ученого совета Д 06.U4.Ui в Донецком Государственном техническом ушт&рситете по адресу: 340000, г.Донецк, ул.Артема,Б8, Б-Д учебный корпус, ауд.ЗБЗ

С диссертацией ,чохно ознакомиться в оиСлиотеке донецкого Государственного технического университета.

Автореферат разослан *_" ноября 1995г.

Учеша секретарь спэцаалавированнога' А/ //"/■

совета Д 06.04.03 \ Ух/Л;А-'с.Л.Яровевиай

-3-

ОЕВДЯ ХАРАКТЕРКСТША РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Развитие научно-технического прогресса требует поиска ногах материалов и технологий их обработки. Интересные персш;ктш;ч, з атсЯ связи, открывается пород ниобием. Обладая шсской химической, коррозионной и радиациршой стойкостью, жаропрочностью, высокими сверхпроводящими параметрами, Олагопри-ЯТ1ШМИ технологическими характеристиками, ниобий все шире используется в химическом апларатостроении, приборостроении радиоэлектронике, аэрокосмической техншсо, металлургии. О увеличением объемов производства ниобия, сфера его применения неуклонно расширяется. Он является перспективным материалом для атомной, термоядерной и водородной энергетики. В связи с этим* за последние де-сятштетия; запеню возросло число ноучких ииследовший по няоСип и его сплавам, и в том числе по проблеме взаимодействия ниобия с водородом.

С практической точки зрения, актуальность последнего направ-. Л81шя продиктована насущной необходимостью поиска новых, альтернативных источников анергии, где значитвльний удельный вес, несомненно, занимают исследования по материаловедения терюядэрянх реакторов и водородной энергетике,

С научной точка зровдя,' вакпоо 'значение кадет дальнейшее сопсгртенствоваш^ физических основ ковах методов упрочнения материалов. к настоящему времени, о этом плзно, достаточно хорспо изучен водороДофазошй наклеп палладия и сплавов на ого осново. ■ Било показано, что с помощью водородофазового наклепа моглю контролируемом образом существенно изменять свойства палладия (упрочнять^ влиять на ого пластичность). Ниобий, в отличие от палладий, является металлом с ОВД структурой и потому весьма склонен к охрупчившшю, в том числе и из-за водорода. В связи с этим представлялось вайНнм исследовать как пртшцштиальную возможность реализации водородофэзового неклопа в ниобии, так и особенности его протекания в плане воздействия на физико-мехвничэскиэ свойства данного металла.. .

Вашеиялоиенноо определяет научную и практическую актуальность данной диссертационной работа, которая вшголнока в соответствия с основным направлением научной деятельности кафедра физики и научно-исследовательской лаборатории взаимодействия водорода с штйллима я водородных технологий Донецкого Государственного технического университета в рамках каявузовской программы работ Ми-

нпстерства образования Украшш "Исследование релаксационных про цессов при сильно неравновесных условиях в системах тверже тело-изотош водорода", п такие в рамках программы "доследование и создание конструкционшх материалов для реакторов термоядерного синтеза" и нрограмлц "Ооноышх направлений развития совместчшх. ииучно-иосмедопотльских работ 1ШЭФА т. Д.В.Ефремова к ДГТУ по проблеме взаимодействия водорода с металлами применительно к задачам ТЯР и другой электрофизической аппаратуры*.

ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является аксперименташюе Подтвергщпшз принципиальной возможности управляемого • водородофазовото наклепа в ниобии - металле, им обладавдим полиморфизмом, легко охрупчиаац-мам водородом и обладающий иной, но сраинншю с палладием, 0Щ{ структурой. Для реализации втой цоли бшш ноставдони следующие конкротшэ задачи:

1. Создать вакуумно-водородную установку и отработать, методику, которые позволяли бы получать хорошо отошмшше сплави 1и>Я;< с необходимыми концентрациями водорода а оОослечиьали би одновременно высоку» чистоту этих сплавов по другим примесям внедрения,, оказывающими гораздо болэо сальное влияний на физико-механические' свойства ниобия, ч&м водород. Это дало Он возможность корректно ставить эксперименты но В<Ш ниобия и однозначно трактовать иолу-ченяие результата.

2. Изучить влияние на флзако-мехшические. свойства ниобия и его сплавов с водородом различных релимоь водородотермичоской обработки, обеснечиващей нротекяние в сшшье Ш)* чередующихся Ьазових превращений для реализации В«Ш.

3. Изучить цроцес-и возврата ^зико-мехашгшоких свойств водородофазонаклеианшго ниобия нон его нагр^ье в вакууме до различных температур.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ. Впернио Экспериментально 1мдто*радо-но явлышю управляемого водородофазоьсн'о наклепа в ниобии. Его развитие под воздействием Водорода и чор»)Дуща».ся гидрйдннк • шх превращений приводит к аакономчрному. и салыкму упрочнении; металла, изменениям структуры и ('.-йзико-моханических. свойств.

Показано, что водородофазошй наклон, обеспечивая сильное "упрочнение (ч 2,5 - 3 раза) ниобия'и его'сплавов с водородом, не вызывает катастрофического падения пластических свойств.

Экспериментально вшиуюно двоякое влияние водородотормической" обработки на пластические свойства сильной КШ*. С одной стор-^ш,.' растворение «чодорода в ниобии роико .ншкчот «га пластичность, и с

-б-

другоЯ стороны, положительный вклад в рост пласпгтости при BÏH даот гидридный ТРЙП-эф1вкт.

Изучены закономерности возврата физико-механических свойств водородофазспаклэпанного сплава NbHQ 03 нра отжиге в вакууме. Обнаружены двэ стадия возврата. Первая связана с распадом мета-стабилышх гидридов и удалением водорода из сплава, а вторая - с процессами, идущими па субструктурном уровне в дегидрированном ниобии.

ПРАКТЙЧЕЯСАЯ ЩЗПГОСТЬ И ИСПОДЬЗКШШЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Установленные закономерности изменений структуры и фязйко-механических свойств ниобия и его сплавов с водородом при ВФН и послэдушем откиге в вакууме составляют физическую основу для ^разработка технологических режимов упрочняющей обрсботкй изделий из ниобия, ренинов эксплуатации îtx в водородсодорзащих средах, "а такие могут быть использованы при прогнозировании ресурса их работоспособности в данных условиях.,

Разработана методика упрочняющей водородотgрлтчвскоЯ обработки ниобия, обесие^гивайдая хорошее сочетайте прочностных и пластических свойств материала*

Данные о фазовом составе и структуре сплавов №11,,, экспериментальные результата но механическим свойствам сплавов ниобия о водородом, данные метэлжн'рафических и рент!еноструктурных исследований, методика содородотерминеской обработки ниобия переданы в 1МИЛ им. Д.В.Ефремова, где использованы пра проектирований конструкционных эле1АеНтов термоядерных реакторов п другой электрофизической аппаратура я прогнозирования ресурсов их работоспособности, и в Восточно-Украинский Государственный унивзрситет для кспользовения пра. выполнении научно-исследовательских работ в paMitax кейвузовской программы К&шйстерсва образования Украины "Исследование релаксационных процессов при сильно неравновесных условиях в системах твердое тело-изотопы водорода".

П0ЛСЙ53ИЯ, ЁЬГНОСИШЕ НА ЗАВДГУ. Автор защищает:

- экспериментальну» установку и методику насыщения ниобия . водородом ;

- впорше установленные' закономерности управляемого ВЭД нио~ •бия, Металла ре обладающего полиморфизмом, легко охр,уичиваемог6

водородом й имеющего иную» по сравнешй) с палладием, ОЦК структуРУ »

- экспериментально выявленное двойкоэ влияние водорода на пластические свойства сплавов KbHx; 1

-6- установленные закономерности возврата физико-механических свойств при. отжиге в вакууме водородофазонаклетшжфо сплава

•№Ho.ov •

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основше• результаты работы были представлены, докладывались и получили положительную оценку на:

- Всесоюзной конференции "Химия и технология редких, цветных металлов и солей" (г.Фрунзе, 1986 г.);

- Копиренции "Физика субструктурного упрочнения металлов (применительно к однофазпш материалам)" (г.Киев, 1937г.);

- Постоянном семинаре "Кинетика и термодинамика пластической дефорглации" (г.Барнаул, 1988 г.);

- Всесоюзном совещании "Водородная обработка металлических материалов" (г.Донецк, 1988 г.);

- YIII Всесоюзном совещании "Водородопроиицаешсть и использование водорода для повышения физико - химических свойств металлов и покрытий" (г.Свердловск, 1989 г.);

- IV Международной конференции "Влияние водорода на поведение материалов" (США, 1989 г.);

- Семинаре "Меидислокационные взаимодействия и кинетика пластической деформации" (г.Калуга, 1990 г.);

- Городском семинаре "Газы в металлах" (г.Ленинград, 1990г.);

- I Международном семинаре "Моталл-водород-92" (г.Донецк, 1992г.);

- VIII Международной конкуренции по разрушении (г.Киев, 1993г.);

- I Международной конференции "Благородше и редкие металлы" (г.Донецк, 1994г.); ' . е

- V Международной конференции "Влияние водорода па поведение материалов" (США, 1994 г.);

I Международной конференции "Водородная обработка материалов" (г.Донецк, 1995г.).

ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертации опубликовано.Т4 печатных работ (Б статей в академических, и зарубежном журналах и У тезисов).

СТРУКТУГА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, пяти глав и еыводов,. изложенных на 103 страницах машинописного текста и содержащих 24 рисунка, 4 таблицы, список цитируемой литературы из 121 наименовании, в тшокч ирилоионий mi Е стршшгпх, всего 139 страниц.

-7-

СОДЕтИИЕ РАБОТЫ

ВО ВЩЩЗРЛИ обоснована актуальность тема диссертация, сформулирована цель работы, ее научная новк?на и практическая значимость, дана общая характеристика работы.

ПЕРВАЯ ГЛАВА содержит обзор литературы по динамике роста мирового производства и структуры потребления ниобия, как совро-г.*егеюго конструкционного материала. Показано, что с 1930 г., когда потребление ниобия со всем мире составляло примерно 10 кг, эта цифра, в настоящее время, наросла до ~ISC0 тош/год, при среднем екегоднон приросте производства 3-63.

Далее приведены примеры использования ниобия и его сплавов в различных отраслях про?.!ьш:лешюсти, энергетике, пауке и техшпсо, отмечена его уникальные Тизические, химические, механические и технологические свойства. Отмечены огромные перспективы "ниобия, запасы которого в земной коре на порядок превышают запасы вольфрама и колибдеяа, объемы производства и потребления которых в настоящее время превышают аналогичные показатели для ниобия в несколько раз.

ТИобий активно взаимодействует с водородом, образуя широкий спектр сплавов внедрения. С понпяением температуры и ростом концентрации. водорода могут развиваться процессы упорядочения водорода в междоузлия*, сопровондэпциеся фазовыми перехода?«!.

На основании обобщения ряда экспериментальных дашшх, прявэ-дена диаграмма состоянии системы ниобий-водород и дшш кристаллографические и термодинамические характеристик:! фаз отой спстега, п также приведены литературные дашше о влиянии водорода на удельное электросопротивление ниобияi его твердость, предел прочности и пластичность.

В основе многих видов водородной обработки леки? водородофа-зоешй наклеп, впервые выдвинутый, обоснованный и экспериментально подтвержденный на палладии и сплавах на его основе. ВШ обработка с последующей дегазацией вызывает весьма сильное упрочнение палладия, в 2-4 раза, при одновременном уменьшении пластичности (мо-нофазенаклепанное состояние). Такое упрочнение, по величине и характеру, сопоставимо с упрочнении при. пластической деформации. Аналогичные результаты были получены тегае на ряде сплавов палладия.

Очень интересно, что (при обработке' на полифазонаклепатшоэ состояние) ЕФН в палладии приводит,'наряду с упрочнением, к росту

егр пластичности по механизму гидридного тиш-вффе«та. Это явление максимально проявляется при содержания гидридной фазя Ю - 40 объемных процента. "

ВФН оказываем такие весьма- сильное влияние на все другие свойства металла. В атом плане приведены результаты исследований о влиянии Шй на удельное электросопротивление, внутренние трение и тонкую структуру как моно-, так и.поликристаллического палладия.

Завершает литературный обзор работы по изучению возврата свойств вадородофазоншшшанного палладия при отжиге. При анализируется поведение механических характеристик, удельного электросопротивления и тонкой структур« палладия. Рекристаллизация после ЕШ на палладии Сцла установлена рентгеноструктуршш и металлографическим методами.

Все работы, связанные с явлением водородофазового наклепа, выполнены на палладии и сплавах на его основе. В отвощенш до других металлов имеются лиаь работа по влиянию водорода и гвдрид-ныж фаз на их фшко-маханмчоаша свойства и относительно небольшое число работ посвящено влияния повторяющихся гидридных превращений на полозкешэ границ фагового равновесия, появлонне внутренних ыикронапряшний и т.д. Однако все они носят ашзодаческкй характер. Целенаправленных, комплексных исследований по этому вопросу к настоящему времени практически нет.

Вшюлнешщй аналитический обзор литературы подтвердил актуальность выбранного направления исследований и позволил поставить вышесформулированные задачи настоящей работы.

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ приведено описание созданной экспериментальной установки и разработанной методики насыщэщя ниобия водоро-*' дом.

Для. решещш поставленных задач была разработана и собрана вакуумно-водородная установка. Основным материалом для ее создания слуяшла норкавоицан сталь Х18Н9Т, обладающая необходашми Механическими свойствами, высокой термостойкостью и низким газовыделением. Установка снабжена .системой бевмаслншюй отката», состоящей из сорбционного цеолитового насоса и двух магнитораз-рядных типа Н0РД-100 и К0РД-250. Кроме того в установке предусмотрена возможность ее внешнего дегазационного прогрева до 450-Б00°С. Все разъемные соединения выполнены с ножевыми уплотнениями, а в качестве прокладок использовалась отокженная полирован»:ая медь. Комутационныь винтили сильфонного тина выполншш такаю из

нерйавещей стали. Данная установка позволяла достетать предоль-кнЗ динамический вакуум ~1СГ7Па. Нятекагта в рабочую камору при отсеченной откачке не превышало 10" \°Па-м*- с-1. Установка снзбпо-на масс-спектрометром и пзнизащгстп;-'. внкуумотрсм длл проведения анализа остаточных газов и измерения давления водорода.

Для высокотемпературного зктиввциошюго отаига в вакууме образцов при температурах до 2400°С, в установке предусмотрен высоковзкуумный токоввод сечение" ~1см2. Крепление образцов осуществляется с помощью молибденовых цанговых держателей. Контроль температуры нагрева осуществлялся И-Не термопарой, а тают по величине электросопротивления самого образца.

Особо чистой водород получали диффузионной очисткой технического водорода через нпкэлевзй фильтр.

Наиболее благоприятные условия для насыщения ниобия водородом могут-быть обеспечены при наводорокинании из газовой фазы прх сравнительно невысоких температурах. Однако наличие на поверхности металла слоев адсорбированных примесей, и в первую очередь кислорода, подавляет сорбцию водорода писбисм. Для удаления этих поверхностных барьеров, образцы нагревали до Я4С!СГС в вакууме та' никз 1(Г5Па. После 2-3 часов отжига нисбяй приобретал высокую сороцпояву» актавЕооть. Лимитнруизм зеэесм сорбция при этом оказывались поверхностны» процессы: подача водорода из газовой фаза к поверхности образца, адсорбция, диссоциация молекул водорода и т.д.

На осповшпта молвкуллрно-кяштачэской теории били произведены расчеты времтап, необходимого для пасвдэвяя образца водсродсм до требуемой концентрации. Эти расчеты показали, что при давления. водорода КГ^-Ю^Па для насыщения требуется вромя порядка 103-104с. С другой стороны, при давлениях от 10 до ТОО Па времена насыщения чрезвычайно малы, однако, поступавший в образец водород не успевает продифрундировать в глубь образца. Это приводит к тому, что водород накапливается в приповерхностных слоях металла и в нем возникают весьма сильные концентрационные напряжения. При ТсТкр. это приводит к зарождению и росту на поверхности ниобия гидридов. Оценка времени дп £Фузиошюго выравнивания к<—центрации для проволочного образца, диаметром 0,5 мм дает 1-70 с. Исходя из этих соображений, для получения ненаклепатшх равномерно наскден-кнх водородом образцов, были выбраны рабств давления водорода от ТО"2 до Ю_1Па и температур!! насыщения 200-25СРС, при которых время доставки водорода ч его адсорбция на поверхности образца

соизмершы со временем диффузионного выравнивания концентрации. Все эти важные в методическом отношении обстоятельства (¡imi учтены и позволили разработать методик^ получения равновесных (нвнак-лепанных) сплавов НЪНХ заданного-состава.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ приведены данные по чистоте используемого в данной работе ниобия и его физико-механическим свойствам как в исходном волоченном состоянии, так и после высокотемпературного ективацвонного вакуумного откига. Ниобий электроннолучевой плавки содержал сладушдие примеси (в вес.Ж): Fe<0,005; Ti<0,005; SI<0,005; Ho<0,005; W<0,005; 0-0,01; 0-0,01; Н-0,005. Из него волочением была изготовлена проволока диаметром 0,5мм, имеющая следующие механические свойства: предел прочности ов=Б85 Н/мм2, условный продел текучести aQ 2=18Т Н/ша и относительное удлинение 6=3,Z%.

После высокотемпературного дегааационного отшга при, 2400°С в вакууме не нижа 10~5Па в течение 2 часов ниобий имел следующие свойства: ов=85,б Н/ым2, aQ а=37,3 Н/ш2, 0=19%, микротвордость по Вшашрсу HV=650 H/tei2, параметр решетки а=3,2995+0,0002 А, удельное электросопротивление при комнатной темпоратурэ р=13,7 мкОм-см. Эти данные свидетельствуют, что в результате высокотемпературного откш'а в вакууме ниобий протерпел заметную очистку от приме сой внедрения. Сразци при атом имели весьма крупное зерно.

После приготовления сплавов НЬНХ осуществлялся контроль состава полученного сплава. При составе, не превышающем продела растворимости при комнатной температуре, наиболее точными и простым»! методами были метод электросопротивления и метод измерения параметра решетки твердого раствора. По данным &тих измерений была откалибрована установка, что в последующем дало возможность получать образцы с контролируемым содержанием водорода, как iumo, так и выше предела растворимости. При необходимости, состав образцов контролировался металлографическим и рентгеноструктурным методами, а также использовали метод экстракции в вакуум.'

Механические испытания проводили - при комнатной температуре. на разрывной машине РМУ-0,05-1согласно требованиям ГОСТ 1044680 для проволочных образцов. Расчетная длина образцов составляла 100 мм, скорость -нагружения 1,7Ю~5мс~1. Относительная ошибка при измерении механических величин не превышала 5t.

Рентгеноструктурные исследования выполняли на да^рактомьтрз ДЮН-3 в фильтрованном никелем медном Кц излучении. Съемку производили пра фокусировке по схеме Брогга-Брентало к«к на диаграмм-

ную ленту, так и, при необходимости, го точкам.

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ приведены результаты исследований по влиянию твердорастворного водорода и гидридных выделений на физико-механические свойства ниобия, а также изменение этих свойств под воздействием различных режимов водородотермической обработки.

По описанной методике были приготовлены сплавы ниобия, с водородом состава №П0_0а, ИЪНООЭ, НЬН^^, НШО_О0, НЪН0.1а, КЬН0 аа, КЪН0 , НЬН0 Как. показали металлографические и рентгеноструктурные исследования, сплаЕй НЬН0 02, и Г1ЪН0 оэ при комнатной температуре остаются однофазными, что согласуется с равновесной диаграммой состояния. Прочностные свойства однофазных сплавов, с ростом содержания водорода, растут и достигают следующих значений: ов=ЭЗ Н/има, о0 а=54 Н/гсм2, а пластичность сниневт-ся до 6=6,5Ж. Таким обра.-ом, легирование водородом приводит к твердорастворному упрочнения ниобия на 46Ж и, соответствующему, уменьшению его пластичности в 2,7 раза.

Сплав ?7ЪН0 , при охлаждении до комнатной температура, претерпевал фазовое превращение по схеме а -» а + р при содорзании р фазы При этом р фаза, зафиксированная металлографически,'

выделялась в виде крупных, соответствующим образом ориентированных пластан, зачастую пересекающих по толэдне весь образец. Механические свойства сплава Ш1„ __ были следующими: о =75,5 Н/км2, _ о. из и

о0 0=?6,3 НЛт и 0=2,22. Таким образом видно, что грубые, плас-тинообразнне выделения р фазы существенно ухудшили не только пластические, но и прочностные1 свойства' сплава 11Ш0 00 как по сравнению со сплавами Ш10 оа,Ш10 так и по сравнению с чистим ниобием. Очевидно, что такое падение свойств обусловлено преиде всего структурными ({акторами, а именно, чрезвычайно высокой хрупкостью самой р фазы и низкой, из-за больших упругих напряжений, когезионной прочностью границ раздела между крупнопластинчатой р фазой и а матрицей.

Цря дальнейшем увеличении содержания водорода количество р фазы постепенно нарастает и изменяется ее морфология. Прочностные свойства сплавов 'ГЪН0 £2, НЪН0 ээ и ЯШ0 49, отражая изменения количества и морфологии р фазы с ростом содержания второго компонента сплава - водорода, сответствующкм образом изменяются, проявляя при этом тенденцию к некоторому росту условного предела текучести. Пластические свойства при этом закономерно снижаются до весьма малой величины.

Рентгепоструктуршэ исследования показали, что параметр ре-

шетки твердого раствора, с ростом концентрации водорода, увеличивается линейно от. 3,2995 до 3.3066А, а дало о остается неизменным.

Аналогичным образом ведет себя и электросопротивление. При концентрациях водорода, соответствующих твердому раствору при комнатной температуре, имеется линейная зависимость р от содержания водорода. При этом р возрастает от 13,7 до 16,1 ииОи см, а далее остается неизменным, что хорош согласуется с литературными данными.

Для выяснения возможности, условий и закономерностей проте-•кашш ВЖ в сплавах ниобия с водородом, были отобраны три сплава: НШ0 оа, мшо 12, КЪН0 4у, которые подвергались термоциклической обработке по двум рэкимам.

1. Термоциклы 300 ♦-» 480К, в результате которых, происходили чередующиеся фазовые превращения сонровоздаицаеся процессам! внутренней пластической деформаций ц генерации дислокации для аккомодации разности удельных объемов сосуществующих аир ([аз.

2. Тормоциклы 373 77К, в результате которых имоли место еще дополнительше к шшерассмотренным фазовые переходи, что обусловливало, в конечном итоге, более глубокий распад исходного твердого раствора на практически чистый ниобий с мелкодисперснима включениями вторичных гидридов.

Заканчивали тамь обработки такие по двум схемам: с окончательной дегазацией образцов (ыонофазонаклепанное состояние) и бег таковой (полвфазонаклвпайное состояние).

Итак, ВФН сплавов Ш)Нх,.п^1вм термоциклировании в области температур, обеспечивающие протекание в них чередующиеся фазовых превращений, без послед/вдей дегаьнции, формирует полифазонакло-панное состояние и, в целом, вызывает весьма сильное упрочнение. При этом, по сравнению с исходами механическими свойствами, ус-' ловный Предел текучести о0 2 увеличивается в 1,5 - 3,2 раза, а предол прочности ов .в 1,1- 2,5 раза. Здесь просматриваются две закономерности. Во-первых, 1фи ВФН обработке имеется тенденция сохранения пластических свойств, хотя и не очень высоких, именно у-тех сплавов, которые содержат'больше водорода. Во-вторых, лучшее сочетание механических свойств.сплавов достигается, поело тер-моциклическсй обработка в области низких температур (373 «-» 7ТК). Экспериментальные результаты обобщены в таблице 1.

Таблица I. Влияние Б1Н на механические свойства сплавов ньнх (полифазор.-пслепашюб состояние)

Сплав Интервал цитиро- Кол-во термо- Абсолютные (I) и относительные (2) значения механических свойств после водородофазового наклепа

вания цшслов I 2 I 2 I г

ПШХ К п НУ,тМГ; °0.2(П> °о.а<и> Ов(п) НЛй.Г 0в(п) О^ТП) 0(п) % 0.Ш) 6(0)

480 300<->480 ♦480

Ш1о.ов ЗС0^

№Н0 49

№Н0.03 373« 77 л„ 373»-* 77

О. А 9

ю ю 10 10 4

81,4 96,1 €3,1 118,0 125,0

2.24 1,60 1,51

3.25 1,92

124, в 120,0 100,1 192,1 165,8

1,65 1,27 1,10 2,50 1,82

0,Э 1,2 0,6 2,8 0,0

0,3 0,6 0,8 1Д 1,1

°о.2(0)* °в(0) и б(0)

исходные свойства (¿плавов

Нокофазоиаклотшное состояние достигалось тем, что после ВШ обработав образцы сплавов НШ. дегазировали в високсм вакууг.е в процессе модленного нагрева до 600-700ЭС и выдорнкп при этой температуре в течение I часа. В результате такой дегазацщ-1 в образцах полностью отсутствовали гидрида, а количество твердораст-ворного водорода било на уровне малой примеси. При атол вакно, что эвакуация водорода осуществлялась при температурах лекащих значительно ниже темературн рекристаллизации л ниже температуры развития полигонизации в ниобии. Том са?,шм дегидрирование сплавов не вызывал^ существенных изменений дислокпцпошюй структуры матрицы и позволяло получать упрочношшй, за счет В4Н, чистой металл.

Как видно из таблицы 2, прочностные свойства ниобия в моно-фазонакленанном состоянии оказываются несколько .ниге, а пласти-чеаше - существенно выше, чем. в полифазонаклопашом состоянии. При сопоставлении механических свойств ниобия в монофазонаклепан-ном состоянии и в исходном отсиженном видно, что В4Н может.обеспечивать рост прочностных свойств в 1,5 - 3 раза при вполне удовлетворительной пластичности, хотя, естественно, и более низкой, чем у чистого ниоб!..1.

ТаОлица 2. Влияние В® на механические свойства ниобия (монофазонаклепанное состояние)

Сплав Интервал циклиро-вания К Кол-во термоциклов п Абсолютные (I) и относительные (2) значения механических свойств № после водородофазового наклепа

I 2 X 2 I 2

ЫЬНХ Н/мма ов(п) и/т2 ов (л) о^ТО) 0(п) % е(п) 5(0)

№Но.ов 11ЪН0.12 ЗОО«-* 480 10 Б6,0 1,50 87,3 1,02 8,2 0,47

300+-»480 • 10 90,3 2,42 122,6 1,43 5,2 0,30

№Но.оэ 300*-»480 10 118,7 ЗД8 143,2 1,67 1.7 0,10

373« 77 10 81,0 2,14 144,2 1,69 7,9 0,41

373« 77 10 114,8 3,07 143,7 1,68 3,3 0,18

°0.2 (0)= ЗТ.ЗН/Ш3, ов(0)^ 8б,ЗН/мм2 0(0)= = 193 - свойства

исходного ниобия после высокотемпературного отяига

Описанные эксперименты впервые однозначно подтвердили, что водородофазовый наклеп, как физическое явление, шеет место в ниобии и на его основс может быгь достинуто весьма сильное упрочнение. ■

Далее была поставлена задача более детально изучить явление В1-Н с цолью выяснения возможности управления процессом упрочнения путем регулирования числа термоциклов. Для экспериментов брали сплавы Ш1_ „„ и НЪ£1„ имещие неплохие пластические свойства

. О • Оэ О • Од

в исходном состояний. Образцы помещали в вэкуумированный тонкостенный никелевый капилляр и, для проведеш1Я чередующихся фазовых превращений, термоциклйровали по схеме о!.3«->7'7К с вадоржами по то минут при навдой температуре. Полученше результаты обоощейы ,ас.1- к рис.2. Они говорят об еффектившсти и управляемости вфн. Прочностные свойства сплавов, с ростом числа циклов обработки, закономерно изменяются, достигая максимального упрочнения уже после 4-6 термоциклов. Важно при этом, что пластические свойства не падают катастрофически, а остаются на прением уровне, или даже улучшаются на начальных стадиях обработки.

Интересные изменения в процессе ВФН обнаруживает измерявшийся при комнатной температуре параметр решетки матрицы сплава Ш10 0у Из рис.1 видно, что при ВФН обработке параметр решетки сначала существенно уменьшается, а затем имеет место некоторн™

его рост. Поскольку величина параметра решетки зависит от содержания водорода в ниобии, то факт его уменьшения говорит об эффективном связывании твердорастворного водорода на генерируемых при ВШ дефектах и возникавших метастабильных гидридах. При этом связывается ат.я водорода, т.е. 1/3 его первоначального содержания в ненаклепанном сплаве №>Н0 . Этим и обусловлено, по-видамому, начальное повышение пластичности. Затем, ирг- дальнейшей обработке, накопление дефектов кристаллического строения, как фактор, обеспачивавдай упрочнение, начинает превалировать н пластичность снова закономерно уменьшается. Повторная тенденция к росту пластичности связана вероятно с тем, что чередущиося фазовые превращения приводят к образовании слоиюнвпряжзшшх ВФН-структур в маситабе всего образца. Металлографический анализ показал при этом зарождение и рост гидридашс' выделения, которые возникают в определетшх кастах образца и, с ростом числа циклов обработки, эту гидриды проявляют тенденцию к.ррсту. такая м^та-стабильная структура могвт быть ответственна за повышение пластичности сплава по механизму гидридного ТРИП-эффекта.

1С 'о

Н

§

ы

ы о

И

О

о

§Л-З1м20 4 8 ,2 56 20

ЧИСЛО I I Р II О Ц И К II I) в, п

Гис.Т Влияни. ВФН обработки на механические свойства

сплава КШ

о.оэ (а фа-но: 1-ов;

и параметр решетки ег; °о.2: 4 а>

ЧИСЛО ТЕРМОЦИКЛОВ, и

Рйс.2 Влияние ВФН обработки на механические, свойства сплава Ж10 00: Т.-ов; 2-о0_а; 3-0.

В ПЯТОЙ ГЛАВК приводятся результаты ж. изучению возврата свойств водородофазонаклепанного сплава НЬН0 . Сплав предварк-хельно упрочня^ш путем БФН обработки по схеме: 293*77*-<373-»293К, осуществляя Б циклов "охлаадение«-»нагрови. Отнят сплава проводили в вакууме, скорость нагрева составляла 2 град/мин, выдержка при достигнутой температуре отжига составляла I час с последующим медленным охлаждением. За счет оксидного слоя на поверхности образца, состав сплава стабилон до 400=0, а далее он начинает терять водород. Этот процесс полностью завершается при температуре 600 - 700'С. При этом сплав переходит в монофазонвклепашшй ниобий и частично разупрочняится из-за устранения твордорастворного дисперсионного (за счет тлкодисгорсн'.'• «таг гзбильнах гидриде!:.'' вкладов в упрочнение, но остается еще суОструктурно-угрочненным. Падение пластичности при дегидрироватш сплава гово-р.,т о том, что высокая пластичность исходного тюдородофазонакле-паниого сплава НЬН0 с.л в основном была обусловлена гидридным ТРИП-эффектом. Эго предположение подтер.'.чает также и тот факт, что после отжига при 600-700~С пластичность моиофазонашизпашгого ниобия, не содержащего водород, оказывается почти в два раза ниже, чем пластичность исходчого, хорошо отоюкенного ниобия.

Таким образом, можно констатировать, что гидридиый ТГШ1-

»Мект, ранее наблвдавшийся только на сплавах Р<И1Х. работает такие н в нолифазонаклепанных сплавах КШХ.

Еыдш 600°С ц вплоть до 1200=0 идут процессы, возврата субструктуры, что и фиксируется экспериментально постепегагым уменьшением полуширины рентгеновской дифракционной линии (даи) так, что при 1200'С она оказывается равной полуширине линии (330) хорошо отомхенного ниобия. о

Важным оказывается тот факт, что рэкрнсталлизгддай ниобия после ВШ и последу щт-о откига вплоть до 1200=0 но была зафиксирована металлографически. Этому, по-видимому, могут быть доз причины. Либо величина субструктурной части нанлапа быт недостаточной для того, чтобы вызвать рекристаллизации, либо выбранная озима откига приводила к субструктураому возврату, блокирующему развитие рекристаллизации (например, путем развития политизации). В целом процессы ВШ и последующего возврата при откиге вмеат го{йздо более сложную природу, чем такоше при тешем наклепа^™ ¿шоследувдеи откиге тех ке самих металлов.

В заключение необходимо подчеркнуть следувдее. Экспериментальной подтверадение явления управляемого водородофазового наклепа в танок ОЩС металле, как ниобий, который весьма склонен к охрупчиваншэ, а том числе и нз-йа водорода, позволяет сделать вывод, что БФН является достаточно общим металло^изическюл явлением. ВЙГ позволяет изменять структуру и фнзико-ыех8Нические свойства ниобия закономерным, регулируемым образом и потому является научной основой для разработки новЦх технологий обработка ниобия и ого сплавов, Дает йозмонноеть прогнозировать ресурс работоспособности изделий из }шх в водородсодэрващих средах, а также слуиит ой'руктурно-фи&ическим фактором пра проведении поисковых работах в области холодного ядерного синтеза.

Результаты настоящей работы переданы в НШЗФА им.Д.В.Ефремова и в Восточно-Украинский Государственный университет, где использованы при проектировании конструкционных элементов ТЯР и другой электрофизической аппаратуры, а так»; при проведении научно-исследовательских работ по холодному ядерному синтезу.

- вцводу

I.'Создан» ели,шальная вакуумно-водородная установка и разработана методика, позволившие проводить предварительную, актиьи-ционную к сорбции водорода, обработку ниобия (нэгрев догнал; в

динамическом вакууме не ниже Ю-7 Па), кэсыщать ниобии осооо чистым водородом и получать хорошо отожженные сплавы ион« лхюого состава, вплоть до Ш!^ 95> с контролем содержания водорода в них. с точностью до 0,1 ат.%, проводить ВШ обработку полученных сплавов и осуществлять их полное или частичное дегидрирование в высоком вакууме

2. Систематическими исследованиями впервые подтверадено явление управляемого водородофазового наклепа в ниобии. Кто развитие, под воздействием чередующихся фазовых превращений при термоциклической обработке, приводит к закономерному и весьма сильному, в 2-3 раза, упрочнению металла.

3. Показано,"что в ниобии, так же как и В палладии, под воздействием ВФН формируется высокопрочные структурные состояния двух типов.

Если упрочняющую ВФН обработку завершали эвакуацией водорода, то достигали однофазноо (монофазонаклепанное) субструктурно-упрочненное состояние ниобия со значениями продела прочности (üjj-90-145 Н/мм2) и условного предела текучести (oQ 2=60-i.20 II/мм2), что в 1,5-3 раза выше, чем ofl и aQ исходного, хорошо отскжэшюго ниобия.

Если, упрочнящую ВФН обработку ниобия осуществляли и заверили таким образом, чтобы субструктурно-унрочненная матрица сплава содержала включения гидридов, то формировались сплавы ниобил с водородом (полифазонаклвпанное состояние), шещие предел прочности (ов=100-195 Н'Ш2) и условный предел текучести (о0 0= 80-.U5 Н/мм2), что в 2-3 раза вьше, чем ов и oQ 0 исходного, хорошо отокаэнного ниобия.

4. Установлено, что весьма эффективным режимом ВФН еорз;о.т-ки, позволяющим "плавно", регулируемым образом изменять свойства сплавов Ш)НХ, является тердациклирог.ание " интврьпяе температур 37Р- >77К, когда в сплавяь обеспечивается развитие . чередуидихся г::'; ¡дных фазовых превращений и уяе за малое число циклов доста-ГоОлСЯ весьма сильное упрочнение, в 2,5-3 раза.

5. Экспериментально выявлено двоякое влияние водорода на пластические свойства сплавов NbHx. С одной стороны, растворение водорода в ниобии резко снижает его пластичность, а с другой стороны, положительный вклад в .рост пластичности при ВФН дает гид-ридный ТРЙП-зффект.

6.' Установлены две стадии возврата физико-механически, свойств при отжиге в вакууме водорода^азонакледанного сплава

И1-П0 0у Первая связана с распадом метаетабилышх гидридов и удалением водорода из сплава, а вторая - с процессам!, вдуеими на субструктурном уровна в дегидрированном ниобии.

7. Экспериментальное подтверждение явления управляемого во-дородофазового наклепа в ниобии, металле с ОЦК структурой, позволяет сделать вывод, что ВФН достаточно общее мегаллофизическое явление, присущее не только палладию и его сплавам, не и металлам с иной структурой и характером взаимодействия с водородом, при этом весьма вакно, что ЕШ позволяет, изменять структуру и фЯзшсо-мьхапичоскяе свойства металла закономерным, регулируемым обрезом и потому мокет служить научной основой для разработки новых технологий обработки металлов и прогнозирования ресурса их работоспособности в водородсодеркащих средах, а тшоко мокет служить структурно-физической основой для поисковых работ в области холодного ядерного синтеза.

8. Данные о фазовом составе и структуре спллвов НЬН,, экспериментальные результата по механическим свойствам сплавов ееоойн с водородом, данные металлографических и рентгеноструктураых исследований, методика водородотермической обработки ниооия переданы в ШШМ им.Д.В.Ефремова, где использовали при проектировании конструкционны.; элементов Т/ГР и другой электрофизической аппаратуры н прогнозирования ресурса их работоспособности и в восточно-Украинский Государственный университет для использования при выполнении научно-исследовательских работ по холодному ядер!1о# синтезу.

Основное содержание диссертации опубликовало в следующих работах:

Т. Деканенко В.М., Власенко H.H. Физико-химические особенности взаимодействия ниобия с водородом //Химия и технология редких, цветных металлов и солей: Тез. докл. Всесоюзн. конф.-Фрунзе, 1986.-С.35.

?,. Деканенко В.М., Власенко H.H. Особенности гидрирования ниобия //Физика и химия обработки материалов.-1987.-AI.- c.iyi-135.

3. Гольцов В.А., Деканенко В,П., Власенко H.H. Водородоцазо-вый наклеп ниобия // Физика металлов и металловед.-1987. -l'.txi.-Вып.5.- 0.951-957. .

4. Гольцов В.А,, Дакйненко В.Vi., Влвоенко H.H. Упрочнение и фазою-структурная перестройка ниобия при водородофэзовом наклепе

//Локлады АН УССР.-1938.-Сер.А.-Й1.-С.81-83.

5. Гольцов В.А.. Власенко Н.Н. Особенности влияния тераоцйк-лической обработки на электросопротивление твердого раствора Водорода в Nb //Тез. докд. VI Всесоюзн. школе молод, ученых и спец. по пробл. водорода, внерг. и техн.-Свердловск, 1989.-С.51-52.

Б. Гольцов В.А., Деканенко В.М., Власенко Н.Н. Изменение структуры н механических свойств сплава NbHo.oa при водородофазо-вом наклепе //Тез. докл. пост. сем. "Пластическая деформация Сплавов и порошковых материалов".-Барнаул, IS38.-C.14.

7. Goltsov V.A., Dekanenko Y.U., Vlasenko H.R. Hydrogen phase Naklep (Strengthening) of Niobium //Abstracts 4-th Int. Conf. Hydrogen Effec'ta on Material Behaviour.- USA, 1989.- P.37.

8. Goltsov Y,A«,i Dekanenko V.H., Vlasenko H.H. Rydrogen Treatment of Niobium: Strengthening and Structural OhangeB //Haterial Science ana Engineering.-1990.-A129.-P.239-247.

9. Власенко Н.Н. Влияние отжиге на свойства водородофазонак-лэпанного ниобия //Тез. докл. I Meиду иар. сем. "Металл-водород-92". -Донецк, 1992.-0.30-31.

10. Goltsov.V.A., Vlaaenko N.N. et. al. Structural changes end hydrogen Induced material destruction //• Abstr. 8-th Int. Conf. on fracture.- Kiev, 1993.-P.313.

11. Гольцов В.А., Власенко Н.Н. Закономерности изменения ©таико-иэханйчеких свойств и структуры ниобия при водородофазовш

' наклепе й последу идем отжиге //Физика металлов и металловед.-19ЭЗ. -Т.76.-ВЫП.2.-0.72-78.

12. Гольцов В.А., Власенко Н.Н. О возможности достижения высокой пластичности сплавов ниобия с водородом при их упрочнении водородофазовым наклепом //Тез. докл. I Ыеидунар. Конф. "Загородные, и редкие Металлы".- Донецк, 1994.- C.73-Y4.

. 13. Goltsov V.A., Vlasenko M.N. Behaviour of niobium гтйег ■ lij^rogen phase naklep .and following annealing //Abstracts 5-th Пи. C'onf. Hydrogen Effects on Material Behaviour.- USA, r«4.-P;114-122.

14. Власенко Н.Н., Гольцов B.A.- ВодородофазовыЙ наклеп и водородная обработка ниобия //Тез. докл. I Мег.дунар. конф. "Водо-. родная обработка материалов".- Донецк, 1995.- С.27-28.

-21-ЛН0ТАЦ1Я

Власешо U.li. Зи1цпекня н!об1я та flcro сплав1в з содцец ггра водневотери1чн1А обробц!. ,",асертац1я на здобуття паукового ступе-кя кандидата технХчншс наук за спец1альн1ств 05.16.ГЯ - Метало-знавство та теры1чна обробка ивтад1а, Доиецъп;Л ДертавнкЗ техн!*;-ннй ун1ьырсцтет, и.Донйцьк, IS96.

У 14 нэукошх працях изведен! результата теоретнтаях тз еко-парцменгалыых досл1даень особливостей отрицания сплав1в №11,, Is полэльшо! териоцшт1чко1 обробга для ыагартузашш, а такса особ-ллеостай повед1ша1 ф 1 акк о - •; a х л ill чип * ьлгставостеЗ вдх conaalB га: ц npciieci csuoi обробки, тал 1 Шелл вХдпалштя у umr/yui.

Уперши систеиатнчшта досл1дамц було п1дтвердж:ено шиза под-невофазового нагартуеакня (Б£Н) н!об1л! иеталу, якпй иге в!да1нку в!д палад!и ОЦК структуру 1 якнй нэдто езшлызий до окрихчеюш через ьодень. ВФН, що розвивавться при териоцн кг' ру в а нн 1, спркча-нле законоШрне i досать сильне (у 2-3 рази) г.ц1цнешш сплав1в Показано, цо водень иае подвШиКй тлив на плвсгичШсть цах салав1&. 3 одного бону, в!н гначло noripiiye 11, а з lzmoro - по-л1шуе при ЮН по ыехан1зиу Пдрвдного ТРТП-ефекту.

При Harpi aiml у вакууы1 нагартованах сплав1в libit, сиостер1-гавться Дй1 стадИ зворсту 1х ф1зико-цехан1,Ш1а ь-гнстикостеи. Перла пов'язана з роз ладом «етастабыьних г!дрид1в 1 внведеншш ь^-дн» 1з сплава, а друга - в пронесанп, цо йдуть на субструктур-ноцу pJuHi у дег1дрированоиу н1обП.

ABSTRACT

Vlaeejilio Н.Н. Strengthening of niobium and Its alloys with hydrogen at hydrogen thermal treatment. Thesis for a candidate's degree on the speciality 05.16.01 - Phyaical metallurgy Bnd then.'ul treatment ol metals, Donetsk State technical university, Donetsk, 1996.

The results of theoretical and experimental investigations of HbH^. alloys obtaining peculiarities, following alloys thenrsocycllc . treatment to strengthen them and behavior regularities of physiconwchanl cal properties during thle treatment and vacmrn annealing «ere published in 14 papers.

!The hydrogen phase strengthening (HPS) phenomenon w/o firstly CLjifirrot'd in niobium by systematic Investigations; thle metal h;is different from palladium БСС structure, and very

inclined to hydrogen erabrlitleriient. Eie tfav&loping oi HPS at tiiernsocyellng leads to regular and suiiiciently • strong strengthening (by a lactor of 2-3) ot VbH^ alloys. It Is shown the double iailuenco ol hydrogen on plasticity oi these alloyB. On tho one hand It essentially decreases plasticity but on the other hand plasticity 1b teprovefl at HFS by the hydride '2RU'-eiiact nrachaniera.

& tno stages of physicojnechanical properties recovery tiers observed at heating ol strengthened KbHj alloys in vacuum, i'lrsx one Is conected with motastafrle hydrides dscay end hydrogen removing iron alloy end second - with processes thai go on the Buhstnsctural level in defcydrogenated niobitsa.

KEnosi cjiobs: HicSlfi, bo^aia, riw-W, ®3303i nspeTBoperoia, sarsp-fyBaisw.