Водородопроницаемость стали Cr12M20W2V

В интервале температур 500…850 K исследованы процессы проникновения и диффузии водорода в стали Cr12Mn20W2V при воздействии водорода из молекулярной фазы и из плазмы отражательного разряда (Uр = 1.1 кВ). Обнаружено, что в случае плазменного облучения при температурах ниже 700 K наблюдается аномально...

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Published in:Вопросы атомной науки и техники
Date:2001
Main Authors: Грицына, В.И., Опалев, О.А., Ружицкий, В.В., Рыбалко, В.Ф., Тернопол, А.М.
Format: Article
Language:Russian
Published: Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2001
Subjects:
Online Access:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/78290
Tags: Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:Водородопроницаемость стали Cr12M20W2V / В.И. Грицына, О.А. Опалев, В.В. Ружицкий, В.Ф. Рыбалко, А.М. Тернопол // Вопросы атомной науки и техники. — 2001. — № 4. — С. 83-85. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1859808048715923456
author Грицына, В.И.
Опалев, О.А.
Ружицкий, В.В.
Рыбалко, В.Ф.
Тернопол, А.М.
author_facet Грицына, В.И.
Опалев, О.А.
Ружицкий, В.В.
Рыбалко, В.Ф.
Тернопол, А.М.
citation_txt Водородопроницаемость стали Cr12M20W2V / В.И. Грицына, О.А. Опалев, В.В. Ружицкий, В.Ф. Рыбалко, А.М. Тернопол // Вопросы атомной науки и техники. — 2001. — № 4. — С. 83-85. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.
collection DSpace DC
container_title Вопросы атомной науки и техники
description В интервале температур 500…850 K исследованы процессы проникновения и диффузии водорода в стали Cr12Mn20W2V при воздействии водорода из молекулярной фазы и из плазмы отражательного разряда (Uр = 1.1 кВ). Обнаружено, что в случае плазменного облучения при температурах ниже 700 K наблюдается аномальное проникнове­ние водорода – с понижением температуры проникающий через мембрану поток газа возрастает. Его абсолютная вели­чина при этом становится в 100…1000 раз выше величины потока, наблюдающегося при воздействии водорода из газовой фазы. Установлено, что при низкоэнергетическом облучении в области температур T < 660 K происходит переход от диффузии водорода по механизму, характерному для газовой фазы, к значительно более эффективному механизму диффузии, энергия активации которого более чем в два раза ниже и составляет Е = 0.39 эВ. В інтервалі температур 500...850 К досліджені процеси проникнення та дифузіі водню в сталі Cr12Mn20W2V під дією водню з молекулярної фази і з плазми відбивного розряду (Up = 1.1 кВ). Виявлено, що в випадку плазмового опромінення при температурах нижче 700 К спостерігається аномальне проникнення водню – зі зниженням температури проникаючий через мембрану потік газу зростає. Його абсолютна величина при цьому стає в 100...1000 раз більшою величини потоку, який спостерігається при дії водню з газової фази. Встановлено, що при низькоенергетичному опроміненні в області температур Т < 660 К відбувається перехід від дифузії за механізмом, характерним для газової фази, до значно ефективнішого механізму дифузії, енергія активації якого більш ніж в два рази менша і становить Е = 0.39 еВ. Permeation and diffusion of the hydrogen in Cr12Mn20W2V steel under the influence of molecular hydrogen or hydrogen ions from gas discharge (Ud = 1.1kV) in the temperature range 500…850 K have been investigated. It was revealed, that in the range T < 700 K at plasma irradiation, hydrogen anomalous permeation is observed - when the temperature is lowering the hydrogen flow is growing. Its absolute value in that case become from 100 to 1000 times greater then the flow observing in gas driven permeation case. In the temperature range below T = 660 K transition from diffusion by gas driven permeation mechanism to more effective one with activation energy of two times lesser and equel to E = 0.39 eV occure, as it was established.
first_indexed 2025-12-07T15:17:33Z
format Article
fulltext УДК 621.039.633/634:669.15-194.56 ВОДОРОДОПРОНИЦАЕМОСТЬ СТАЛИ Cr12Mn20W2V В.И.Грицына, О.А.Опалев, В.В.Ружицкий, В.Ф.Рыбалко, А.М.Тернопол Национальный научный центр “Харьковский физико-технический институт”, г.Харьков, Украина В інтервалі температур 500...850 К досліджені процеси проникнення та дифузіі водню в сталі Cr12Mn20W2V під дією водню з молекулярної фази і з плазми відбивного розряду (Up = 1.1 кВ). Виявлено, що в випадку плазмового опромінення при температурах нижче 700 К спостерігається аномальне проникнення водню – зі зниженням температури проникаючий через мембрану потік газу зростає. Його абсолютна величина при цьому стає в 100...1000 раз більшою величини потоку, який спостерігається при дії водню з газової фази. Встановлено, що при низькоенергетичному опроміненні в області температур Т < 660 К відбувається перехід від дифузії за механізмом, характерним для газової фази, до значно ефективнішого механізму дифузії, енергія активації якого більш ніж в два рази менша і становить Е = 0.39 еВ. В интервале температур 500…850 K исследованы процессы проникновения и диффузии водорода в стали Cr12M- n20W2V при воздействии водорода из молекулярной фазы и из плазмы отражательного разряда (Uр = 1.1 кВ). Обнаруже- но, что в случае плазменного облучения при температурах ниже 700 K наблюдается аномальное проникновение водорода – с понижением температуры проникающий через мембрану поток газа возрастает. Его абсолютная величина при этом становится в 100…1000 раз выше величины потока, наблюдающегося при воздействии водорода из газовой фазы. Уста- новлено, что при низкоэнергетическом облучении в области температур T < 660 K происходит переход от диффузии во- дорода по механизму, характерному для газовой фазы, к значительно более эффективному механизму диффузии, энергия активации которого более чем в два раза ниже и составляет Е = 0.39 эВ. Permeation and diffusion of the hydrogen in Cr12Mn20W2V steel under the influence of molecular hydrogen or hydrogen ions from gas discharge (Ud = 1.1kV) in the temperature range 500…850 K have been investigated. It was revealed, that in the range T < 700 K at plasma irradiation, hydrogen anomalous permeation is observed - when the temperature is lowering the hy- drogen flow is growing. Its absolute value in that case become from 100 to 1000 times greater then the flow observing in gas driven permeation case. In the temperature range below T = 660 K transition from diffusion by gas driven permeation mechanism to more effective one with activation energy of two times lesser and equel to E = 0.39 eV occure, as it was established. Способность водорода оказывать негативное воз- действие на механические и физические свойства материалов [1,2] приводит к необходимости более детального изучения процессов его взаимодействия с конструкционными сплавами, использующимися в условиях сложных термомеханических нагрузок и радиационного воздействия. Это в особенности ка- сается новых типов аустенитных хромомарганцо- вистых сталей, предполагаемых к использованию в ядерных и термоядерных реакторах. Систематиче- ские данные о поведении водорода в таких сталях в литературе отсутствуют. В настоящем сообщении приведены результаты исследования водородопроницаемости и диффузии водорода (Н) в стали типа Cr12Mn20W2V в усло- виях её взаимодействия с молекулярным водородом и при воздействии ионов водорода из плазмы отра- жательного разряда ( pU =1.1кВ, j = 10A/м²). МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА Исследования выполнены на плазменной уста- новке “Дракон” [3]. В экспериментах использо-ва- лись образцы (мембраны) в виде дисков диамет-ром 5·10 2− м, вырезанные из фольги толщиной 2.5·10 4− м. Химический состав стали (в вес. %): Fe – осн., Cr – 11.57, Mn – 20.75, W – 2.01, V – 0.1, C – 0.025, P – 0.045, Si – 0.02, S – 0.008. Температура мембраны контролировалась при помощи хромель-алюмелевой термопары, приварен- ной к центру мембраны с выходной стороны. Коэффициент диффузии (D) водорода при раз- личных температурах образцов вычисляли по време- ни запаздывания (τ) появления сигнала от про- шедшего через мембрану газа по отношению к мо- менту подачи водорода в камеру установки [4].Зна- чения D при этом вычислялись с помощью следую- щего выражения: τ⋅π ⋅= 2 2L5.0D , (1) где L – толщина мембраны. Водородопроницаемость стали определяли мето- дом установления потока газа через мембрану [5]. Давление водорода на входной стороне мембраны в разрядной камере установки во время эксперимен- тов поддерживалось на уровне 0.665 Pa (5·10-3мм рт. ст.). С выходной стороны в камере анализатора про- диффундировавшего газа фоновое давление состав- ляло 2.66·10ˉ 6 Пa (2·10ˉ 8 мм. рт. ст.). РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ Измеренные значения установившегося потока водорода (P) при различных температурах мембраны из стали Cr12Mn20W2V в случае бездефектного на- сыщения её газом приведены на рис.1. Математиче- ская обработка показала, что экспериментальные точки достаточно хорошо описываются кинетиче- ским уравнением Аррениуса (сплошная линия ) сле- дующего вида: ________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2001. №4 Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (80), с.83-85. 83       −⋅⋅= − kT )eV(2.1exp107.1P 2 , (2) где P – коэффициент водородопроницаемости [моль/м·с Пa1/2]; k – постоянная Больцмана; T – абсо- лютная температура, K. Рис.1. Зависимость от температуры коэффици- ента водородопроницаемости стали Cr12M- n20W2V из газовой фазы В соответствии с существующими моделями [5] экспоненциальная зависимость от температуры сви- детельствует о том, что основную роль в процессе переноса водорода через мембрану играет диффу- зия. По абсолютной величине полученные значения коэффициента водородопроницаемости для диапа- зона температур 500…850 K близки к значениям P для других сталей аустенитного класса [6,7]. Значе- ния энергии активации процесса проникновения во- дорода, однако, при этом примерно в 1.5…2 раза вы- ше. Из этого следует, что при температурах ниже 500 K сталь Cr12Mn20W2V имеет значительно меньшую водородопроницаемость, чем ранее иссле- дованные стали. На рис.2 приведены вычисленные по экспери- ментально полученным для различных температур величинам τ значения коэффициента диффузии во- дорода D в исследуемой стали. Аппроксимация этих значений прямой позволила установить аналитиче- ский вид температурной зависимости D(T). Он соот- ветствует уравнению Аррениуса со следующими па- раметрами:       −⋅⋅= − kT )eV(0.1exp106.1D 4 . (3) Поскольку для газовой фазы коэффициент водо- родопроницаемости P определяется как произведе- ние растворимости водорода в материале S на коэф- фициент диффузии D, то с помощью известных тем- пературных зависимостей (2) и (3) можно опреде- лить температурную зависимость растворимости во- дорода в исследуемой стали. Для области темпера- тур 700…850 K было получено следующее соотно- шение:       −⋅= kT )eV(2.0exp58S . (4) Установленное значение энергии активации диф- фузии водорода в стали Cr12Mn20W2V значи-тель- но выше, чем у других исследованных сталей [6,7]. В связи с этим можно сделать вывод о том, что именно низкая диффузионная подвижность водоро- да ответственна за низкую водородопроницаемость этой стали в области температур T < 500 K. Рис.2. Температурная зависимость коэффициента диффузии водорода в стали C12Mn20W2V при её на- сыщении из газовой фазы (1) и из плазменного раз- ряда (2) Изучение водородопроницаемости стали Cr12M- n20W2V в условиях воздействия газового разряда показало, что в этом случае зависимость потока во- дорода J через мембрану имеет нелинейный харак- тер (рис. 3). Рис.3. Водородопроницаемость стали Cr12M- n20W2V при воздействии ионов водорода из плазмы газового разряда При температурах T>700 K проницаемость, как и в случае газовой фазы, описывается зависимостью Аррениуса, однако, энергия активации проницае-мо- сти в этом случае примерно в два раза ниже: ( )       −⋅⋅= − kT eV65.0exp108J 8 . (5) В области температур T<700 K наблюдается ано- мальное поведение проникновения водорода через ________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2001. №4 Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (80), с.83-85. 84 исследуемую сталь  при понижении температуры мембраны от 700 до 500 K поток J монотонно воз- растает. Экспериментально измеренную зависи- мость J от 1/T в этом интервале температур можно аппроксимировать двумя прямыми, пересекающи- мися при T=675 K. Наклоны этих прямых дают от- рицательные значения энергий активации. Для ин- тервала 675 K<T<700 K значение E=-2.4 эВ, для ин- тервала 500 K<T<675 K E=-0.53 эВ. Диффузия водорода через сталь Cr12Mn20W2V в условиях плазменного облучения также имеет неко- торые особенности. Как видно из рис.2 (кривая 2), на температурной зависимости LgD от 1/T наблюда- ется излом при T k =660 K. При температурах выше T k ход зависимости lgD качественно такой же, как и для случая бездефектного насыщения стали и мо- жет быть представлен уравнением Аррениуса сле- дующего вида: ( )       −⋅⋅= − kT eV0.1exp109.2D 4 1 . (6) Значения коэффициента диффузии водорода в мембране при температурах ниже критической при плазменном воздействии и значительно (в10…100 раз) выше значений D, наблюдающихся в условиях проникновения водорода из молекулярной фазы. В этой области температур зависимость D =D(T) мо- жет быть представлена следующим уравнением Ар- рениуса: ( )       −⋅⋅= − kT Ve39.0exp104.6D 4 2 . (7) В связи с установленным характером диффузии водорода в стали Cr12Mn20W2V, а также принимая во внимание аррениусовскую зависимость проница- емости при T>Tk, можно утверждать, что в области температур выше 600 K механизм переноса водоро- да в кристаллической решетке этой стали один и тот же при обоих режимах насыщения её атомами газа, – это обычная диффузия. Согласно сложившимся к настоящему времени представлениям аномальный характер проницаемо- сти в условиях бомбардировки низкоэнергетически- мии ионами может быть связан с взаимодействием водорода с ловушками радиационного происхожде- ния в приповерхностном слое материала [8,9]. За- хват водорода ловушками приводит к значительному повышению концентрации водорода в слое, а в соот- ветствии с первым законом Фика – к возрастанию потока водорода J к выходной стороне мембраны. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Изучена водородопроницаемость стали Cr12M- n20W2V в интервале температур 500…850 K в усло- виях радиационного воздействия плазмы газового разряда и в условиях насыщения материала водоро- дом из газовой фазы - при отсутствии наработки ра- диационных дефектов. Установлено, что водородо- проницаемость стали из газовой фазы является диф- фузионно-лимитированным процессом и может быть описана кинетическим уравнением Аррениуса с энергией активации Е = 1.2 эВ. Водород при этом диффундирует через сталь с энергией активации Е = 1.0 эВ. Влияние радиационного воздействия в наи- большей степени проявляется в области температур T<700…850 K, где проникновение водорода через мембрану носит аномальный характер - поток про- никающего газа возрастает при уменьшении темпе- ратуры. В области температур 700…850 K перенос водорода, как и в случае бездефектного насыщения, является диффузионно-лимитированным процессом. Абсолютная величина проникающего при этом по- тока газа, однако, несколько выше, а энергия актива- ции проникновения ниже и составляет Е = 0.65 эВ. Диффузия ионно-имплантированного водорода в стали осуществляется при помощи двух различных механизмов. В области температур 660…850 K ато- мы газа движутся при помощи механизма, анало- гичного механизму диффузии водорода из молеку- лярной фазы, и характеризуется той же величиной энергии активации Е = 1.0 эВ. Вблизи температуры 660 K происходит смена механизма диффузии. В ин- тервале температур 500...660 K энергия активации процесса становится равной Е = 0.39 эВ, коэффици- ент диффузии значительно возрастает. Это явление может быть обусловлено взаимодействием имплан- тируемого водорода с радиационными дефектами, генерируемыми в кристаллической решетке стали в процессе облучения. Работа выполнена при частичной подддержке гранта УНТЦ, проект №2149. ЛИТЕРАТУРА 1.Е.Г. Максимов, О.Л. Панкратов. Водорд в метал- лах // УФН. 1975, т.116, вып. 3, с.385-412. 2.Б.А. Колачев. Водородная хрупкость металлов. М.: “Металлургия”, 1985, с. 1-217. 3.В.И. Грицына, О.А. Опалев, А.М. Тернопол, В.Ф. Рыбалко. Влияние примеси гелия в плазме на про- никновение водорода из плазменного разряда через мембрану из стали Х16Н15М3Б // Вопросы атомной науки и техники. Серия: “Физика радиационных по- вреждений и реакторное материаловедение”. 1990, вып. 3(54), с.73-77. 4.Р. Беррер. Диффузия в твёрдых телах. М.: “Ино- странная литература”, 1948, с.1-504. 5.В.Н. Агеев, И.Н. Бекман, О.П. Бурмистрова и др. Взаимодействие водорода с металлами. М.: “Наука”, 1987, с.1-296. 6.A.D. Le Clair. Permeation of hydrogen isotopes in structural alloys //J. Nucl. Mater., 1984, v. 122/123, p.1558-1559. 7.D.M. Grant, D.L. Cummings, D.A. Blackburn. Hy- drogen in 304 steel : diffusion, permeation and surface reaction // J. Nucl. Mater. 1987, v.149, p.180-191. 8.А.А.Бабад-Захряпин. Высокотемператуные про- цессы в материалах, повреждаемых низко-энер- ________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2001. №4 Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (80), с.83-85. 85 гетическими ионами. М.: “Энергоатомиздат”, 1985, с.1-120. 9.Н.М. Кирюхин, П.О. Мчедлов-Петросян, В.В. Слёзов. О диффузии водорода под облучением, ин- дуцированном междоузельными атомами //Вопросы атомной науки и техники. Серия :”Физика радиа- ционных повреждений и реакторное материалове- дение”. 1989, вып.3(50), с.23-27. ________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2001. №4 Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (80), с.83-85. 86 ВОДОРОДОПРОНИЦАЕМОСТЬ СТАЛИ Cr12Mn20W2V МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ ЗАКЛЮЧЕНИЕ ЛИТЕРАТУРА
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-78290
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 1562-6016
language Russian
last_indexed 2025-12-07T15:17:33Z
publishDate 2001
publisher Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
record_format dspace
spelling Грицына, В.И.
Опалев, О.А.
Ружицкий, В.В.
Рыбалко, В.Ф.
Тернопол, А.М.
2015-03-13T18:26:13Z
2015-03-13T18:26:13Z
2001
Водородопроницаемость стали Cr12M20W2V / В.И. Грицына, О.А. Опалев, В.В. Ружицкий, В.Ф. Рыбалко, А.М. Тернопол // Вопросы атомной науки и техники. — 2001. — № 4. — С. 83-85. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.
1562-6016
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/78290
621.039.633/634:669.15-194.56
В интервале температур 500…850 K исследованы процессы проникновения и диффузии водорода в стали Cr12Mn20W2V при воздействии водорода из молекулярной фазы и из плазмы отражательного разряда (Uр = 1.1 кВ). Обнаружено, что в случае плазменного облучения при температурах ниже 700 K наблюдается аномальное проникнове­ние водорода – с понижением температуры проникающий через мембрану поток газа возрастает. Его абсолютная вели­чина при этом становится в 100…1000 раз выше величины потока, наблюдающегося при воздействии водорода из газовой фазы. Установлено, что при низкоэнергетическом облучении в области температур T < 660 K происходит переход от диффузии водорода по механизму, характерному для газовой фазы, к значительно более эффективному механизму диффузии, энергия активации которого более чем в два раза ниже и составляет Е = 0.39 эВ.
В інтервалі температур 500...850 К досліджені процеси проникнення та дифузіі водню в сталі Cr12Mn20W2V під дією водню з молекулярної фази і з плазми відбивного розряду (Up = 1.1 кВ). Виявлено, що в випадку плазмового опромінення при температурах нижче 700 К спостерігається аномальне проникнення водню – зі зниженням температури проникаючий через мембрану потік газу зростає. Його абсолютна величина при цьому стає в 100...1000 раз більшою величини потоку, який спостерігається при дії водню з газової фази. Встановлено, що при низькоенергетичному опроміненні в області температур Т < 660 К відбувається перехід від дифузії за механізмом, характерним для газової фази, до значно ефективнішого механізму дифузії, енергія активації якого більш ніж в два рази менша і становить Е = 0.39 еВ.
Permeation and diffusion of the hydrogen in Cr12Mn20W2V steel under the influence of molecular hydrogen or hydrogen ions from gas discharge (Ud = 1.1kV) in the temperature range 500…850 K have been investigated. It was revealed, that in the range T < 700 K at plasma irradiation, hydrogen anomalous permeation is observed - when the temperature is lowering the hydrogen flow is growing. Its absolute value in that case become from 100 to 1000 times greater then the flow observing in gas driven permeation case. In the temperature range below T = 660 K transition from diffusion by gas driven permeation mechanism to more effective one with activation energy of two times lesser and equel to E = 0.39 eV occure, as it was established.
Работа выполнена при частичной подддержке гранта УНТЦ, проект №2149.
ru
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
Вопросы атомной науки и техники
Состояние и проблемы конструкционных материалов активной зоны реакторов на быстрых нейтронах и термоядерных реакторов
Водородопроницаемость стали Cr12M20W2V
Article
published earlier
spellingShingle Водородопроницаемость стали Cr12M20W2V
Грицына, В.И.
Опалев, О.А.
Ружицкий, В.В.
Рыбалко, В.Ф.
Тернопол, А.М.
Состояние и проблемы конструкционных материалов активной зоны реакторов на быстрых нейтронах и термоядерных реакторов
title Водородопроницаемость стали Cr12M20W2V
title_full Водородопроницаемость стали Cr12M20W2V
title_fullStr Водородопроницаемость стали Cr12M20W2V
title_full_unstemmed Водородопроницаемость стали Cr12M20W2V
title_short Водородопроницаемость стали Cr12M20W2V
title_sort водородопроницаемость стали cr12m20w2v
topic Состояние и проблемы конструкционных материалов активной зоны реакторов на быстрых нейтронах и термоядерных реакторов
topic_facet Состояние и проблемы конструкционных материалов активной зоны реакторов на быстрых нейтронах и термоядерных реакторов
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/78290
work_keys_str_mv AT gricynavi vodorodopronicaemostʹstalicr12m20w2v
AT opalevoa vodorodopronicaemostʹstalicr12m20w2v
AT ružickiivv vodorodopronicaemostʹstalicr12m20w2v
AT rybalkovf vodorodopronicaemostʹstalicr12m20w2v
AT ternopolam vodorodopronicaemostʹstalicr12m20w2v