Экспериментальное исследование явления водородоупругости на пластине из сплава α-PdHn
Экспериментально исследованы явление водородоупругости и влияние исходного содержания водорода на формоизменение палладиевой пластины при ее дополнительном одностороннем насыщении водородом до состава сплава α-PdHn при 180°C. Подтверждено, что формоизменение пластины развивается в два этапа: на перв...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Физика и техника высоких давлений |
|---|---|
| Datum: | 2014 |
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
2014
|
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/107350 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Экспериментальное исследование явления водородоупругости на пластине из сплава α-PdHn / Е.Н. Любименко // Физика и техника высоких давлений. — 2014. — Т. 24, № 3-4. — С. 111-119. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-107350 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Любименко, Е.Н. 2016-10-18T15:43:27Z 2016-10-18T15:43:27Z 2014 Экспериментальное исследование явления водородоупругости на пластине из сплава α-PdHn / Е.Н. Любименко // Физика и техника высоких давлений. — 2014. — Т. 24, № 3-4. — С. 111-119. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 0868-5924 PACS: 81.70.q, 81.40.Jj https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/107350 Экспериментально исследованы явление водородоупругости и влияние исходного содержания водорода на формоизменение палладиевой пластины при ее дополнительном одностороннем насыщении водородом до состава сплава α-PdHn при 180°C. Подтверждено, что формоизменение пластины развивается в два этапа: на первом – пластина весьма быстро достигает максимального изгиба, а на втором (существенно более длительном этапе) – пластина распрямляется практически полностью обратимо. Установлено, что при 180°C исходное содержание водорода в палладии влияет на величину максимального изгиба, время достижения максимума, кинетику распрямления пластины и величину остаточного стационарного формоизменения. Проанализирована физическая природа полученных экспериментальных закономерностей. Експериментально досліджено явище водневопружності та вплив вихідного вмісту водню на формозмінення паладієвої пластини при її додатковому односторонньому насиченні воднем до складу сплаву α-PdHn при 180°C. Підтверджено, що формозмінення пластини розвивається у два етапи: на першому – пластина швидко досягає максимального вигину, а на другому (істотно більш тривалому етапі) – пластина розпрямляється практично повністю зворотно. Встановлено, що при 180°C початковий вміст водню у паладії впливає на величину максимального вигину пластини, час досягнення максимуму, кінетику розпрямлення пластини та величину залишкового стаціонарного формозмінення. Проаналізовано фізичну природу отриманих експериментальних залежностей. The phenomenon of hydrogen elasticity and the effect of the hydrogen initial content on the palladium plate form-changing upon one-side additional saturation with hydrogen up to the composition of the α-PdHn alloy at 180°C were studied experimentally. The experiments confirmed that the form-changing of the plate proceeds in two stages. At the first stage, the plate quickly reaches the maximum bending. And at the second stage that is significantly longer, the plate reversibly straightens almost completely. It was found that hydrogen contained initially in palladium impacts on the value of the maximum bending, on the time to achieve maximum bending, on the kinetics and magnitude of the residual stationary form-changing. The physical nature of the established experimental laws was analyzed. Автор выражает благодарность доценту М.В. Гольцовой за помощь в проведении эксперимента и осуществление видеозаписи эксперимента. ru Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України Физика и техника высоких давлений Экспериментальное исследование явления водородоупругости на пластине из сплава α-PdHn Experimental investigation of the hydrogen elasticity phenomenon in the α-PdHn alloy plate Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Экспериментальное исследование явления водородоупругости на пластине из сплава α-PdHn |
| spellingShingle |
Экспериментальное исследование явления водородоупругости на пластине из сплава α-PdHn Любименко, Е.Н. |
| title_short |
Экспериментальное исследование явления водородоупругости на пластине из сплава α-PdHn |
| title_full |
Экспериментальное исследование явления водородоупругости на пластине из сплава α-PdHn |
| title_fullStr |
Экспериментальное исследование явления водородоупругости на пластине из сплава α-PdHn |
| title_full_unstemmed |
Экспериментальное исследование явления водородоупругости на пластине из сплава α-PdHn |
| title_sort |
экспериментальное исследование явления водородоупругости на пластине из сплава α-pdhn |
| author |
Любименко, Е.Н. |
| author_facet |
Любименко, Е.Н. |
| publishDate |
2014 |
| language |
Russian |
| container_title |
Физика и техника высоких давлений |
| publisher |
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Experimental investigation of the hydrogen elasticity phenomenon in the α-PdHn alloy plate |
| description |
Экспериментально исследованы явление водородоупругости и влияние исходного содержания водорода на формоизменение палладиевой пластины при ее дополнительном одностороннем насыщении водородом до состава сплава α-PdHn при 180°C. Подтверждено, что формоизменение пластины развивается в два этапа: на первом – пластина весьма быстро достигает максимального изгиба, а на втором (существенно более длительном этапе) – пластина распрямляется практически полностью обратимо. Установлено, что при 180°C исходное содержание водорода в палладии влияет на величину максимального изгиба, время достижения максимума, кинетику распрямления пластины и величину остаточного стационарного формоизменения. Проанализирована физическая природа полученных экспериментальных закономерностей.
Експериментально досліджено явище водневопружності та вплив вихідного вмісту водню на формозмінення паладієвої пластини при її додатковому односторонньому насиченні воднем до складу сплаву α-PdHn при 180°C. Підтверджено, що формозмінення пластини розвивається у два етапи: на першому – пластина швидко досягає максимального вигину, а на другому (істотно більш тривалому етапі) – пластина розпрямляється практично повністю зворотно. Встановлено, що при 180°C початковий вміст водню у паладії впливає на величину максимального вигину пластини, час досягнення максимуму, кінетику розпрямлення пластини та величину залишкового стаціонарного формозмінення. Проаналізовано фізичну природу отриманих експериментальних залежностей.
The phenomenon of hydrogen elasticity and the effect of the hydrogen initial content on the palladium plate form-changing upon one-side additional saturation with hydrogen up to the composition of the α-PdHn alloy at 180°C were studied experimentally. The experiments confirmed that the form-changing of the plate proceeds in two stages. At the first stage, the plate quickly reaches the maximum bending. And at the second stage that is significantly longer, the plate reversibly straightens almost completely. It was found that hydrogen contained initially in palladium impacts on the value of the maximum bending, on the time to achieve maximum bending, on the kinetics and magnitude of the residual stationary form-changing. The physical nature of the established experimental laws was analyzed.
|
| issn |
0868-5924 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/107350 |
| citation_txt |
Экспериментальное исследование явления водородоупругости на пластине из сплава α-PdHn / Е.Н. Любименко // Физика и техника высоких давлений. — 2014. — Т. 24, № 3-4. — С. 111-119. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT lûbimenkoen éksperimentalʹnoeissledovanieâvleniâvodorodouprugostinaplastineizsplavaαpdhn AT lûbimenkoen experimentalinvestigationofthehydrogenelasticityphenomenonintheαpdhnalloyplate |
| first_indexed |
2025-11-24T18:27:39Z |
| last_indexed |
2025-11-24T18:27:39Z |
| _version_ |
1850492086416048128 |
| fulltext |
Физика и техника высоких давлений 2014, том 24, № 3–4
© Е.Н. Любименко, 2014
PACS: 81.70.q, 81.40.Jj
Е.Н. Любименко
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЯВЛЕНИЯ
ВОДОРОДОУПРУГОСТИ НА ПЛАСТИНЕ ИЗ СПЛАВА α-PdHn
Донецкий национальный технический университет
ул. Артема, 58, г. Донецк, 83000, Украина
Статья поступила в редакцию 8 апреля 2014 года
Экспериментально исследованы явление водородоупругости и влияние исходного
содержания водорода на формоизменение палладиевой пластины при ее дополни-
тельном одностороннем насыщении водородом до состава сплава α-PdHn при
180°C. Подтверждено, что формоизменение пластины развивается в два этапа:
на первом – пластина весьма быстро достигает максимального изгиба, а на вто-
ром (существенно более длительном этапе) – пластина распрямляется практиче-
ски полностью обратимо. Установлено, что при 180°C исходное содержание во-
дорода в палладии влияет на величину максимального изгиба, время достижения
максимума, кинетику распрямления пластины и величину остаточного стацио-
нарного формоизменения. Проанализирована физическая природа полученных экс-
периментальных закономерностей.
Ключевые слова: водород, система палладий–водород, палладиевая пластина,
формоизменение, диффузия, водородные концентрационные напряжения, времен-
ной градиентный сплав
Експериментально досліджено явище водневопружності та вплив вихідного
вмісту водню на формозмінення паладієвої пластини при її додатковому односто-
ронньому насиченні воднем до складу сплаву α-PdHn при 180°C. Підтверджено, що
формозмінення пластини розвивається у два етапи: на першому – пластина швид-
ко досягає максимального вигину, а на другому (істотно більш тривалому етапі) –
пластина розпрямляється практично повністю зворотно. Встановлено, що при
180°C початковий вміст водню у паладії впливає на величину максимального вигину
пластини, час досягнення максимуму, кінетику розпрямлення пластини та величи-
ну залишкового стаціонарного формозмінення. Проаналізовано фізичну природу
отриманих експериментальних залежностей.
Ключові слова: водень, система паладій–водень, паладієва пластина, формозмі-
нення, водневі концентраційні напруження, тимчасовий градієнтний сплав, дифузія
Классическим модельным объектом для исследований проблем, возни-
кающих при взаимодействии водорода с металлами, служит система Pd–H,
поскольку растворенный в металле водород расширяет кристаллическую
Физика и техника высоких давлений 2014, том 24, № 3–4
112
решетку металла и вызывает появление в металле внутренних напряжений.
В неравновесных условиях любые концентрационные неоднородности при-
водят к возникновению в твердом теле водородных концентрационных (ВК)
напряжений. Когда ВК-напряжения не превосходят предела пропорциональ-
ности металла и не развивается водородофазовый наклеп в системах Ме–Н,
имеет место явление водородоупругости, при котором все изменения в ме-
таллической и водородной подсистемах самосогласованны. Механические
проявления водородоупругости фиксируются как обратимые формоизмене-
ния (коробление) образца и эффект Горского [2].
В ранее выполненных исследованиях [3–5] были установлены закономер-
ности влияния температуры, давления, скорости подачи водорода в камеру
на водородоупругое формоизменение палладиевой пластины при ее одно-
стороннем насыщении водородом в интервале температур 100–350°С. В свя-
зи с этим представляет интерес систематически экспериментально изучить
явление водородоупругости на пластине палладия, исходно насыщенной во-
дородом до сплава α-PdHn (где n – концентрация водорода в палладии), при
увеличении n на Δn = n = const при каждом последующем напуске водорода
в камеру. Это открывает дополнительные возможности для накопления ин-
формации о закономерностях водородоупругих эффектов в системах палла-
дий–водород.
Цель работы – обобщить результаты экспериментальных исследований
водородоупругого формоизменения пластины из чистого палладия и сплава
α-PdHn при ее одностороннем насыщении водородом при 180°С.
Исследуемый образец в виде тонкой пластины размерами 68 × 5.5 × 0.27 mm
из чистого (99.98%) палладия был подвергнут отжигу при 700°C в течение
60 min и охлажден с печью. Одну сторону отожженного образца электроли-
тически покрывали медью.
В водородовакуумной установке ВВУ-4 [6], которая состоит из рабочей
камеры и обслуживающих ее четырех вспомогательных блоков, образец за-
крепляли в держатель рабочей камеры одним торцом так, чтобы вверху была
сторона образца с медным покрытием. Рабочая часть образца после закрепле-
ния составила 60 mm. Для снятия остаточных напряжений закрепленный об-
разец подвергали низкотемпературному вакуумному отжигу непосредственно
в рабочей камере: его медленно нагревали до 240°C со скоростью 3 K/min и
затем охлаждали с печью.
Эксперименты проводили в следующем порядке. Образец медленно (3 K/min)
нагревали до 180°C и выдерживали при этой температуре 20 min. После это-
го в изотермических условиях в рабочую камеру подавали диффузионно-
очищенный водород до заданного давления, таким образом насыщая пла-
стину до состава сплава α-PdHn, выдерживали в этих условиях до тех пор,
пока пластина вернется в исходное состояние, и повторно насыщали водо-
родом. От начала подачи водорода (t = 0) с помощью катетометра и видео-
камеры Samsung записывали изменения стрелы прогиба образца через квар-
Физика и техника высоких давлений 2014, том 24, № 3–4
113
цевое окно в рабочей камере. Видеозаписи затем анализировали в програм-
ме Sony Vegas кадр за кадром, что позволило получить зависимость стрелы
прогиба образца от времени. Ошибка измерения положения свободного
конца пластины составляла ±0.03 mm.
В соответствии с поставленной задачей влияние исходно растворенного
водорода на формоизменение палладиевой пластины было изучено при тем-
пературе 180°С. На рис. 1 представлены характерные временные зависимо-
сти формоизменения палладиевой пластины, которую насыщали три раза до
состава сплава α-PdHn (где n – концентрация водорода, которую в палладии
в трех опытах каждый раз увеличивали на 0.0092 H/Pd). Результаты этих
экспериментов приведены в таблице.
На рис. 1 приведена экспериментальная кривая 1 изменения величины стре-
лы прогиба пластины во времени при конечном давлении подаваемого водоро-
да 0.0145 МРа при насыщении чистого палладия до состава сплава α-PdH0.0092.
Как видим, формоизменение пластины осуществлялось в два временных
этапа. На первом этапе пластина быстро изгибалась, причем уже непосред-
ственно в процессе открытия вентиля на установке при скорости подачи во-
дорода 0.0053 МРа/s в рабочую камеру. При этом в момент достижения за-
данного давления Рн2 = 0.0145 МРа (t = 2.7 s) изгиб пластины уже достиг
экспериментально заметной величины. В последующем при постоянном
давлении водорода Рн2 образец продолжал насыщаться водородом и интен-
сивно изгибаться, и стрела прогиба достигла своего максимума уmax = 1.5 mm
через промежуток времени Δτmax = 12 s от начала подачи водорода. После
достижения максимального изгиба (кривая 1, точка f ), т.е. в начале второго
этапа пластина первоначально в течение 16 s (рис. 1, кривая 1, интервал f–g)
Рис. 1. Временная зависимость формоизменения палладиевой пластины при 180°C
при насыщении чистого палладия (1) и сплавов α-PdH0.0092 (2) и α-PdH0.0184 (3) при
увеличении концентрации водорода на Δn = 0.0092 H/Pd
Физика и техника высоких давлений 2014, том 24, № 3–4
114
Таблица
Влияние концентрации водорода в палладии на характеристики
формоизменения пластины
Рн2 ΔРн2 ymaх ymin Δtmax Δtmin Δtd№
экспе-
римента
Материал
MРа
n, H/Pd t, s v, 103
МPa/s mm s
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
1 Pd 0 0.0145 0.0092 2.7 5.3 1.55 0.08 12 452 350
2 α-PdH0.0092 0.046 0.0315 0.0184 8.5 3.7 1.98 0.08 17 900 340
3 α-PdH0.0184 0.09 0.044 0.0278 7.2 5.9 2.66 0.25 19 600 300
4 Pd 0 0.09 0.0278 7.6 11.86 3.82 0.18 30 1100 300
Примечание. Рн2 – давление водорода, подаваемое в камеру; ΔРн2 – изменение
давления водорода; t – время напуска водорода в камеру; v – скорость напуска во-
дорода; ymax, ymin – соответственно максимальное и остаточное формоизменение;
tmax – время достижения максимального формоизменения; tmin – время, через кото-
рое образец выходит в стационарное состояние; td – время дополнительной вы-
держки образца в стационарном состоянии; n – содержание водорода в палладии.
«удерживала» максимальный изгиб. На втором, более длительном этапе, чем
первый, образец стал медленно закономерно распрямляться, что свидетель-
ствовало о постепенном уменьшении напряжений в образце в результате
выравнивания градиента концентрации водорода по сечению образца. Через
452 s от начала эксперимента было достигнуто стационарное состояние (ymin =
= 0.08 mm), которое в последующем в течение 350 s до завершения экспери-
мента оставалось неизменным. Подчеркнем, что уmin составляет примерно
5% от величины максимального изгиба уmax = 1.55 mm.
Во второй части эксперимента (рис. 1, кривая 2) по описанной выше ме-
тодике сплав α-PdH0.0092 насыщали до состава α-PdH0.0184, когда давление
водорода в рабочей камере установки ВВУ-4 было увеличено от 0.0145 до
0.046 МPа при скорости подачи водорода v = 3.7·10–3 МPа/s. Увеличение
давления водорода не привело к существенному изменению кинетики фор-
моизменения пластины как на первом, так и на втором этапе ее насыщения
водородом. Изгиб пластины на первом этапе развивался, как и при насыще-
нии пластины из чистого палладия (рис. 1, кривая 1). После окончания на-
пуска изгиб продолжал увеличиваться, и через 17 s от начала подачи водо-
рода в камеру был достигнут больший максимальный изгиб пластины (ymax =
= 1.98 mm, отмечен точкой d на кривой 2), чем в первом эксперименте. Вто-
рой этап начался с того, что максимальный изгиб удерживался в течение 16 s
(рис. 1, интервал d–h), далее пластина начала распрямляться. Как видим, пла-
стина распрямлялась, как и в первом эксперименте, с такой же скоростью, од-
нако через 400 s после начала напуска (рис. 1) наблюдается некоторое приос-
тановление распрямления, которое со временем продолжается. Величина ко-
нечного стационарного изгиба пластины ymin = 0.08 mm была достигнута че-
рез 900 s и не изменилась в течение дополнительной выдержки 400 s.
Физика и техника высоких давлений 2014, том 24, № 3–4
115
Во время третьего напуска сплав α-PdH0.0184 насыщали до состава α-PdH0.0278
и давление водорода в рабочей камере установки ВВУ-4 увеличивали от
0.046 до 0.09 МРа за 7.2 s. Его результаты представлены на рис. 1, кривая 3.
Скорость роста давления водорода в этом эксперименте была аналогичная
скорости в первом эксперименте и составляла 5.9·10–3 МРа/s. Столь большое
увеличение времени напуска водорода в рабочую камеру установки не при-
вело к радикальному изменению кинетики и величины формоизменения
пластины как на первом, так и на втором этапах ее насыщения водородом.
Первый этап, когда пластина достигает максимального изгиба ymax = 2.66 mm
(отмечен точкой e на кривой 3), составил теперь 19 s и оказался более длин-
ным, чем в первом и втором экспериментах (рис. 1, кривые 1, 2). Однако в
начале второго этапа время «удерживания» максимального изгиба стало
меньше (рис. 1, интервал e–p) и составило 10 s, а через 600 s после начала
напуска водорода образец достиг конечного стационарного состояния, и из-
гиб пластины ymin составил 0.25 mm. После выдержки в течение 300 s обра-
зец находился в одном положении.
В целом результаты этих экспериментов качественно хорошо согласуют-
ся с нашими данными [3], полученными при насыщении пластины палладия,
исходно не содержащей водород.
В соответствии с развиваемой в работе [5] феноменологической моделью
максимальный изгиб пластины, достигаемый в описанных выше экспери-
ментальных условиях, определяется параметрами сформировавшегося к
этому моменту слоя градиентного самолокализованного упругонапряженно-
го когерентного сплава α-PdHn (слой 1) толщиной h и удлинением Δl. Фак-
тор толщины слоя h сплава α-PdHn в момент достижения уmax определяется
коэффициентом диффузии водорода в палладии, который при T = const остает-
ся постоянным (удлинение Δl слоя 1, градиентный сплав α-PdHn), определя-
ется средним содержанием в нем водорода n при данных Рн2 и T в момент
достижения пластиной максимального изгиба.
Следовательно, можно полагать, что концентрация водорода в слое 1 в мо-
мент достижения пластиной максимального изгиба вполне соизмерима с вели-
чиной равновесной растворимости водорода в палладии (n ≈ n0). Однако рост
слоя 1 (α-PdHn) в этот момент приостанавливается (тормозится) вследствие ус-
тановления термо-баро-упруго-диффузионного (ТБУД) равновесия и удержи-
вается в течение 10–16 s (рис. 1, кривые 1–3, наличие площадки). Это макро-
скопическое проявление ТБУД-равновесия есть равновесие между упругосжа-
тым слоем 1 и упругорастянутым слоем 2 максимально изогнутой пластины.
Возникает вопрос, как изменяются время достижения и установления
ТБУД-равновесия и величина максимального изгиба при насыщении чистой
палладиевой пластины до концентрации водорода в палладии 0.0278 H/Pd
при давлении водорода 0.09 МРа и температуре 180°С. Результаты такого
эксперимента представлены на рис. 2 и обобщены в таблице, эксперимент
№ 4.
Физика и техника высоких давлений 2014, том 24, № 3–4
116
Рис. 2. Временная зависимость при 180°C стрелы прогиба пластины из чистого
палладия в процессе насыщения до сплава α-PdH0.027 (Pн2 = 0.09 MPa)
Как видно из рис. 2, насыщение пластины из чистого палладия до состава
сплава α-PdH0.027, т.е. при увеличение давления водорода от 0 до 0.09 МРа
за 7.56 s, привело к увеличению длительности первого этапа насыщения до
30 s и росту максимального изгиба пластины ymax до 3.82 mm по сравнению
с третьим насыщением пластины (см. рис. 1, кривая 3), когда насыщали
сплав α-PdH0.0184 до состава сплава α-PdH0.027. Второй этап начался с того,
что время удержания максимального изгиба уменьшилось до 4 s по сравне-
нию с третьим насыщением пластины (рис. 1, кривая 3), и далее пластина
начала распрямляться. Стационарного состояния уmin = 0.18 mm пластина
достигла за 1100 s, и при дополнительной выдержке в течение 300 s оно не
изменилось.
Здесь установление ТБУД-равновесия является результатом действия
взаимосвязанных внутренних процессов и проявляется как макроскопиче-
ское явление – пластина как целое достигает максимального изгиба и удер-
живается в этом состоянии в течение некоторого времени. Эксперименты
показывают (рис. 1, кривые 1–3), что наличие исходно растворенного водо-
рода в пластине увеличивает длительность ТБУД-равновесия до 10–16 s по
сравнению с насыщением пластины из чистого палладия (рис. 2), когда дли-
тельность ТБУД-равновесия уменьшается в ~ 4 раза. Необходимо отметить и
тот факт, что увеличение содержания водорода на Δn = 0.00929 H/Pd в пал-
ладии приводит к уменьшению длительности ТБУД-равновесия (рис. 1, кри-
вые: 1, интервал f–g; 2, интервал d–h; 3, интервал e–p).
ТБУД-равновесие устанавливается вследствие того, что термодинамиче-
ская движущая сила (Рн2, Т) проникновения водорода в металл продолжает
действовать и при необходимости преодолевается путем смены условий и
механизма диффузионного транспорта водорода в пластине. В результате
слой 2 (палладий) начинает весьма медленно диффузионно насыщаться во-
Физика и техника высоких давлений 2014, том 24, № 3–4
117
дородом с эффективным коэффициентом диффузии водорода, много мень-
шим истинного коэффициента диффузии водорода в палладии (D* << D).
Как показывают эксперименты (рис. 1, кривые 1–3), пластина постепенно
распрямляется с весьма малой скоростью (много меньшей скорости изгиба
пластины) из-за «работы» сильного ТБУД-торможения (D* << D) и реализа-
ции временных ТБУД-равновесий между упругосжатыми и упругорастяну-
тыми слоями пластины [1]. Об этом свидетельствует множество площадок на
рис. 1 (кривые 1–3), на которых величина изгиба со временем не изменяется.
В результате, как мы видим из экспериментальной части работы, рас-
прямление пластины осуществляется до весьма высокой степени обратимо-
сти. После достижения стационарного состояния пластина обычно выдер-
живалась в водороде в течение дополнительного времени (~ 300 s). Однако
это не приводило к заметному уменьшению остаточного стационарного со-
стояния (рис. 1) вследствие установления квазистационарного ТБУД-равно-
весия [1,7] между неоднородным концентрационным полем водорода и по-
лем остаточных упругих ВК-напряжений.
Наличие некоторого стационарного остаточного изгиба на завершающей
стадии насыщения пластины водородом (рис. 1, кривые 1–3; таблица, ко-
лонка 10) мы не связываем с необратимой пластической деформацией. В ра-
боте [3] показано, что исследуемая палладиевая пластина при механическом
нагружении вплоть до стрелы прогиба ymax ≤ 3–3.5 mm претерпевает изгибы
гарантированно в пределах упругих свойств металла для чистого палладия.
Если рассматривать изгибы в данной работе, то они осуществляются в упру-
гой области, так как стрела прогиба ymax ≤ 2.6–3.8 mm. Следовательно, мож-
но полагать, что в условиях наших экспериментов пластина не подвергалась
пластической деформации и внутренние ВК-напряжения не превосходили
упругих характеристик палладия и ВГ-сплава α-PdHn.
Результаты этих экспериментов интересны тем, что сильного влияния ис-
ходно содержащегося водорода в пластине (т.е. когда можно рассматривать
Pd-пластину как состоящую из сплава α-PdHn) на достигаемый максималь-
ный изгиб не было обнаружено по сравнению с теми, которые наблюдаются
при насыщении Pd-пластины, не содержащей водород. Оказалось, что полу-
ченные экспериментальные кривые (рис. 1) противоречат эффекту Льюиса
[8], который имел место при комнатной температуре, когда влияние восхо-
дящей диффузии водорода велико. При дополнительном насыщении водо-
родом пластины из сплава α-PdHn должно было иметь место перераспреде-
ление исходно растворенного водорода под действием возникающего гради-
ента внутренних напряжений по толщине пластины, что приводило бы к бо-
лее сильным изгибам, чем те, которые мы наблюдали.
Можно предположить, что более заметные эффекты будут проявляться
при более низких температурах и при сильном влиянии восходящей диффу-
зии водорода.
Физика и техника высоких давлений 2014, том 24, № 3–4
118
Итак, в настоящей работе экспериментально показано, что при дополни-
тельном насыщении пластины из сплава α-PdHn до малых равновесных кон-
центраций водорода в палладии (в нашем случае до n ≤ 0.03 H/Pd) исходное
содержание водорода в пластине влияет на величину максимального изгиба,
время достижения максимума и кинетику распрямления пластины. Однако
формоизменение пластины является практически полностью обратимым, а
величина остаточного формоизменения увеличивается.
Дальнейшее углубление понимания физических особенностей односто-
роннего проникновения водорода в палладиевую пластину, претерпеваю-
щую формоизменение, требует систематической теоретической и экспери-
ментальной его разработки для совершенствования технологий эксплуата-
ции металлических изделий в водородосодержащих средах.
Выводы
1. Экспериментально изучено формоизменение консольно-закрепленной
палладиевой пластины размерами 68 × 5.5 × 0.27 mm (рабочая длина пласти-
ны 60 mm) при ее одностороннем насыщении водородом при температуре
180°C и увеличении концентрации водорода в палладии на Δn = 0.00929 H/Pd
при насыщении чистого палладия и сплавов α-PdH0.0092, α-PdH0.0184. Под-
тверждено, что формоизменение пластины развивается в два этапа.
2. Установлено, что исходное содержание водорода в палладии влияет на
величину максимального изгиба, время достижения максимума, кинетику
распрямления пластины и величину остаточного стационарного формоизме-
нения.
3. Экспериментальные результаты работы подтверждают физическую
обоснованность феноменологической модели явления индуцированного во-
дородом формоизменения палладиевой пластины, что в момент достижения
пластиной максимального изгиба его рост приостанавливается (тормозится)
вследствие установления ТБУД-равновесия и удерживается в течение 10–16 s.
Автор выражает благодарность доценту М.В. Гольцовой за помощь в
проведении эксперимента и осуществление видеозаписи эксперимента.
1. V.A. Goltsov, in: Progress in Hydrogen Treatment of Materials, V.A. Goltsov (ed.),
Kassiopeya Ltd, Donetsk−Coral Gables (2001), p. 3–36.
2. Водород в металлах, Г. Алефельд, И. Фелькль (ред.), Мир, Москва (1981).
3. М.В. Гольцова, Е.Н. Любименко, ФММ 112, 393 (2011).
4. М.В. Гольцова, Е.Н. Любименко, ФММ 113, 162 (2012).
5. М.В. Гольцова, Е.Н. Любименко, ФММ 113, 1073 (2012).
6. В.А. Гольцов, Физико-химическая механика материалов 45, № 5, 55 (2009).
7. Г.И. Жиров, ФММ 94, 70 (2002).
8. F.A. Lewis, in: Progress in Hydrogen Treatment of Materials, V.A. Goltsov (ed.),
Kassiopeya Ltd, Donetsk–Coral Gables (2001), p. 147.
Физика и техника высоких давлений 2014, том 24, № 3–4
119
E.N. Lyubimenko
EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF THE HYDROGEN ELASTICITY
PHENOMENON IN THE α-PdHn ALLOY PLATE
The phenomenon of hydrogen elasticity and the effect of the hydrogen initial content on
the palladium plate form-changing upon one-side additional saturation with hydrogen up
to the composition of the α-PdHn alloy at 180°C were studied experimentally. The ex-
periments confirmed that the form-changing of the plate proceeds in two stages. At the
first stage, the plate quickly reaches the maximum bending. And at the second stage that
is significantly longer, the plate reversibly straightens almost completely. It was found
that hydrogen contained initially in palladium impacts on the value of the maximum
bending, on the time to achieve maximum bending, on the kinetics and magnitude of the
residual stationary form-changing. The physical nature of the established experimental
laws was analyzed.
Keywords: hydrogen, palladium–hydrogen system, palladium plate, form-change, diffu-
sion, hydrogen concentration stresses, temporary gradient alloy
Fig. 1. Time dependence of the form-changing of palladium plate at 180°C for saturation
of pure palladium (1) and alloys α-PdH0.0092 (2) and α-PdH0.0184 (3) at an increase in the
hydrogen concentration Δn = 0.0092 H/Pd
Fig. 2. Time dependence of the bending deflection of the plate of pure palladium in the
course of saturation to α-PdH0.027 (Pн2 = 0.09 MPa) at 180°С
|