Физика / 2

Физика / 2.Физика твердого тела

Dr. Larionov V. V., Ph.D. Lisichko E.V., Garanin G. V., PhD. Lider A.M.

Tomsk Polytechnic University

Anomalous effect of ultrasonic waves propagation in hydrogenated titanium

Исследован процесс распространения ультразвуковых (УЗ) волн в наводороженном сплаве на основе титана ВТ1-0. Установлены две характерных области влияния водорода на скорость распространения УЗ-волн V_R. Обнаружена аномальная зависимость скорости распространения УЗ-волн от концентрации водорода, характерная как для стали, так и палладия. Разработан метод фиксации концентрации водорода в титане, при которой начинается процесс водородного охрупчивания.

В экспериментах использовали образцы из титана ВТ1-0 вдоль различных направлений проката исходного листа в виде прямоугольных листов с размером рабочей части 90×40 mm. Исходные образцы подвергали отжигу в вакууме в течение 1 h при температуре 750ºС с последующим охлаждением в печи, после чего насыщали водородом на установке PCI«GasReactionController» по методу Сивертса. Интегральное содержание водорода в образцах титана контролировали плавлением на установке фирмы RHEN 602 LECO [1]. Изготавливали несколько партий идентичных образцов титана. Затем их насыщали водородом до различных концентраций [2]. После насыщения снимали дифрактограммы (рис. 1) и измеряли скорость распространения УЗ-волн (рис.2). Измерения скорости УЗ-волн в образцах проводили на лабораторной установке [3]. Изменение кристаллической структуры титана при насыщении водородом исследовано на дифрактометре PDIFF Beamline [4]. Пример дифрактограммы дан на рис.1, где показано образование гидридов титана. Из дифрактограммы видно, что с увеличением времени увеличиваются пики, соответствующие содержанию гидридов титана в образце. Каждый образец, насыщенный водородом до необходимой концентрации, подвергали растяжению до разрыва. В ряде экспериментов насыщение водородом и измерение скорости УЗ-волн проводили последовательно на одном и том же образце.

Рис. 1. Динамика образования фазы TiH₂. Время насыщения водородом составляет соответственно 1) 0; 2) 5; 3) 15; 4) 45; 5) 60; 6) 130; 7) 170 мин.

Для автоматизации системы измерения и сбора данных используется программное обеспечение, разработанное в инженерной среде LabView. Растяжение образцов до разрыва проводили на испытательной машине ComTen-95. Расчетная формула для V_Rимеет вид: (1). В формуле (1) числитель – разность двух последовательных расстояний между датчиками, в знаменателе Т_C₁ и Т_C₂ – периоды автоциркуляции для данных расстояний между датчиками, где T_C=1/f_C. Частота автоциркуляции f_C зависит от времени распространения сигнала по образцу титана и по цепям обратной связи и равна: , (2) где t_del – время задержки возбуждающего импульса относительно запускающего импульса; t_ap– время задержки сигнала, определяемое используемой аппаратурой; t_samp – время распространения волны в образце. График зависимости скорости УЗ-волны от концентрации водорода в образцах показан на рис. 2. Здесь же для сравнения представлен график изменения относительного удлинения образцов до разрыва (правая шкала).

Рис. 2. Зависимость скорости распространения ультразвуковой волны Vr в наводороженном титане и относительного удлинения образцов ε до разрыва от концентрации водорода в титане (3 – прямая фиксации начала охрупчивания. Образована пересечением прямых 1 и 2)

С увеличением концентрации водорода в испытуемом образце в диапазоне концентраций от 0.0 до 0.20 wt % скорость УЗ-волны линейно возрастает. Наводороживание титанового сплава ВТ1-0 в данном интервале концентраций приводит к росту внутренних напряжений, к росту модуля упругости (соответственно увеличению скорости распространения УЗ-волн). Уменьшение скорости УЗ-волны в диапазоне концентраций водорода в образце от 0.20 до 0.60 wt % объясняется образованием гидридов (рис.1) множественных дефектов и значительным ухудшением прочностных характеристик материала, что отражается графиком относительного удлинения образца (рис.2, правая шкала). Неоднородность наводороживания образца сплава ВТ1-0 фиксируется по изменению скорости УЗ-волны по его длине с точностью до 2 mm. Эффективность измерений зависит от выбора частоты автоциркуляции, базового расстояния между приемником и излучателем и контролируется посредством корреляции между скоростью ультразвуковых волн и величиной обратной частоте автоциркуляции. Эта связь должна быть линейной. Таким образом, зависимость скорости УЗ-волн от концентрации водорода имеет ярко выраженный максимум и состоит из двух ветвей. Восходящая ветвь имеет вид, характерный для различных марок наводороженных сталей и циркония [5, 6], нисходящая аналогична наводороженному палладию [7]. Это может свидетельствовать об уникальных свойствах наводороженных легких сплавов на основе титана. Достоверность результатов подтверждается корреляцией между максимумом скорости ультразвуковой волны и потерей пластичности образца. Метод может быть применен для анализа содержания водорода в легких сплавах.

Литература

1. Тюрин Ю.И., Ларионов В.В., Чернов И.П. и др.// ЖТФ. 2011. Т. 81. Вып. 1. С. 35–41.

2.Чернов И.П., Русецкий А.С., Краснов Д.Н., Ларионов В.В., Сигфуссон Т.И., Тюрин Ю И. // Journal of Engineering Thermophysics. 2011. V. 20. № 4. pp. 360–379.

3. Гаранин Г.В., Ларионов В.В., Лидер А.М. // ПТЭ. 2013. № 1. С. 58–60.

4. Тимченко Н.А., Галимов Р.М., Шмаков А.Н., Лидер А.М. и др. // Вестник науки Сибири. 2011. № 1 (1). С. 77–82.

5. Yang, C.-H. Huang M.-F. // J. Nucl. Mater. 2004. Т. 335. № 3. С. 359–365.

6. Ткачев В.И., Витвицкий В.И., Холодный В.И. // Материаловедение. 2006. №1. С. 54–56.

7. Водород в металлах. Т.1 и Т.2. Под ред. Г. Алефельда и И. Фекля (пер. с англ. Под ред. Ю. М. Когана). М.: Мир, 1981. 432 с.