Физико-математические  науки/ Физика твердого тела

Larionov V.V., Kun Shi, Shupeng Xu

Tomsk Polytechnic University, Russia

 Study of the internal structure of hydrogenated metals of different frequency eddy current method

     В докладе представлены материалы по определению содержания водорода в титане в различных слоях по глубине и направлению. Различные технологические операции (например, мелирование), связанные с производством титановых заготовок и проката, сопровождаются неравномерным насыщением титана водородом.  Несмотря на наличие диффузионных эффектов, которые характерны для титана, образование гидридов, снижающих подвижность водорода, существует распределение водорода по глубине титанового листа. Во многих случаях в процессе эксплуатации при наводороживании в поверхностном слое и в целом в металле наблю­даются сложные структурные изменения. Образуются насыщенные слои, характеризующиеся   на   определенной глубине металла  наличием фаз внедрения водорода и изменением параметров кристаллической решетки металла. Облучение наводороженного металла электронами и рентгеновскими квантами приводит к возбуждению водородной подсистемы, что сопровождается образованием кратеров, количество и размер которых зависит от вида металла, концентрации водорода в металле.     Одним из методов измерения содержания водорода в металлах является метод вихревых токов, в т. ч. при диагностике многослойных структур [1]. Применение вихревых токов разной частоты в целях дефектоскопии описано во многих работах. Известно, что в ряде технологических процессов при производстве титановых сплавов, например, в листах сплава 6A14V с УМЗ структурой, полученных при пакетной прокатке, наблюдается повышенное содержание водорода CH. При этом концентрация водорода изменяется по толщине листа, т.е. характеризуется наличием некоторого распределения в различных направлениях относительно. Поэтому, измеряя электропроводность на различных глубинах по различным направлениям σxx, σxy, σxz и т.д. можно судить о внутренней структуре наводороженного материала. Физической основой измерения модификации поверхности титановых сплавов  является зависимость активной и емкостной составляющей вихревых токов, распространяющихся в металле, от степени наводороженности металла. В экспериментах использована серия  прямоугольных плоских образцов титана  размерами 50 х 50 мм, толщиной от 2 до 10 мм. Образцы механически полировали и для снятия внутренних напряжений и удаления растворенных газов отжигали в вакууме (10-5мм. рт. ст.) при температуре от 550°С в течение 60 минут с последующим охлаждением в печи. После этого образцы насыщали водородом.  Насыщение образцов водородом проводилось на установке PCI «GasReactionController» по методу Сивертса и электролитическим методом.  Абсолютную концентрацию водорода в приготовленных образцах определяли на анализаторе RHEN 602 фирмы LECO. Кристаллическая структура  титана при насыщении водородом исследована на дифрактометре PDIFFBeamline.

C:\Users\lvv\Desktop\график_ориг.bmp

Рис.1. График зависимости изменения показаний вихретокового прибора (ось слева) во времени. Интенсивность уменьшения содержания водорода (относительные единицы) при облучении титана рентгеновскими лучами (ось справа)

Вихревые токи измеряли на магнитном спектрометре ЗМА (Германия) на частотах от 2.5 кГц до 1 МГц. Калибровали прибор на образцах из меди. Для облучения использовали рентгеновские кванты с энергией до 80 кэВ. Вихревой датчик располагали на поверхности образца как после обработки рентгеновскими квантами, так и с противоположной стороны в ходе облучения. При  наводороживании происходит образование гидридов титана  TiH2, что отчетливо проявляется на изменении дифрактограмм во времени. При облучении рентгеновскими квантами и электронами происходит интенсивное выделение водорода. Этот процесс сопровождается образованием кратеров на поверхности образцов металла (см. рис 1), через которые более интенсивно выделяется водород. Расстояние между точками выхода водорода при облучении титана рентгеновскими квантами составляет от 120 до 220 mm. Поэтому изменением координатного и углового положения вихретокового (ВТ)  датчика удается зафиксировать нарушение структуры металла по изменению токов высокой частоты. В частности, величина ВТ зависит от размеров кратеров и их количества на единицу площади. Таким образом, при насыщении титана водородом изменяется подвижность протонов, как дополнительных носителей тока, а облучение, сообщая энергию всей водородной подсистеме металла [1], приводит к увеличению проводимости. Два встречных процесса могут быть идентифицированы посредством измерения вихревых токов. Кроме того, образование микрократеров приводит к появлению дополнительных центров рассеяния электронов проводимости. Этот эффект приводит к изменению величины вихревых токов, распространяющихся на разной глубине при разных частотах.

Литература

1. Ларионов  В.В.,  Румбешта  Д.В.    //  Вестн. Томского  гос. пед. ун–та (Tomsk State Pedagogical University Bulletin).–2012.– Вып.7 (122).– С.76–78.