Релаксация Горского и релаксационные эффекты, обусловленные водородом

Релаксация Горского^[1] - один из самых первых известных видов неупругой релаксации, обусловленный диффузией точечных дефектов в образце в условиях неоднородного напряжения. Модель диффузии и обусловленной ею релаксации была предложена и разработана Горским для изогнутого стержня в 1935 г. [23]. Возникающая при изгибе одноосная деформация имеет дилатационную компоненту и линейно меняется но толщине образца от сжатого к растянутому участку. Теория релаксации Горского во многом аналогична теории термоупругой релаксации (см. уравнение (3.3а)). Если в образце есть дефекты, приводящие к дилатации - созданию изотропной (объемной) компоненты X = А.) + Ал + Хз, изгиб образца (рис. 4.20) вызывает появление пространственного градиента дефектов.

Рис. 4.20. Схема релаксации Горского: поперечная (а) и интеркристаллитная (б): затемненные и осветленные участки символизируют сжатые и растянутые области

Релаксация будет проходить из-за диффузии дефектов в направлении градиента напряжений но толщине образца. Степень релаксации зависит от размерного фактора:

где О. - объем атома в решетке.

Время релаксации для прямоугольного сечения определяется выражением

где h - толщина образца; D - коэффициент диффузии дефектов рассматриваемого тина.

Диффузионное последействие в статическом режиме, равновесная статическая сегрегация, диффузионное последействие в динамическом режиме (внутреннее трение) имеют общую причину - локальные градиенты упругих напряжений в кристаллических телах, которые определяют диффузионный дрейф атомов в сторону, противоположную градиенту концентрации, то есть обретают характер восходящего диффузионного потока (эффект Горского). Для исследования релаксации Горского в макроскопических образцах нужны высоко- подвижные дефекты и низкочастотная или квазистагическая измерительная техника. Только через 33 года после теоретического предсказания эффекта релаксация Г орского была впервые экспериментально обнаружена и описана в работах Алефельда с сотрудниками при изучении упругого последействия (см. главу 2) в образцах ниобия, содержащего водород, скрученных в виде пружины и подвешенных в виде маятника (рис. 4.21, a) [24J. Вскоре после этого потери энергии, обусловленные релаксацией Горского, были исследованы при динамических испытаниях тонких образцов [25 ]. Время релаксации в образцах толщиной 5 мкм в сплаве Nb-H при комнатной температуре (300 К) равно т = 3,6 • 10 ³ с.

На рис. 4.22 представлены данные измерения релаксации Горского в сплаве Nb-Ti-H. В отсутствие водорода эффект Горского не наблюдается, степень релаксации растет с увеличением содержания водорода. Х.-Р. Зиннингом обнаружена релаксация Г орского, происходящая не в масштабе всего поперечного сечения образца, а в пределах отдельных кристаллитов, разные стороны которых испытывают сжимающие и растягивающие напряжения - интеркристаллит- ный эффект Горского (рис. 4.21, 6) [26]. В этом случае в уравнении (4.17а) вместо нерелаксированного модуля Юнга используется нерелаксированный объемный модуль и появляется коэффициент, учитывающий фактор упругой анизотропии, а в уравнении (4.176) вместо толщины образца (/?) необходимо использовать средний размер зерна в материале. В настоящее время изучение эффекта Горского в водородсодержащих образцах является основой для изучения коэффициента диффузии водорода в металлах.

Рис. 4.21. Оптический метод изучения упругого последействия, вызванного релаксацией Горского в результате диффузии водорода (Г. Алефельд и др., 1968) (я); метод изучения эффекта Горского при динамических испытаниях тонких образцов (Ф. Маззолаи и др., 1969-1973) (б)

Рис. 4.22. Пик внутреннего грения (по шкале Q КГ³), обусловленный релаксацией Горского в сплаве Nb-3,5Ti, частота колебаний - 6,5 Гц [27]

Характерная энергия активации диффузии водорода в ниобии составляет -0,11 эВ. Присутствие атомов замещения (например, Ti в Nb) понижает коэффициент диффузии и повышает энергию активации диффузии водорода из-за возникновения дополнительных связей H-Ti (-0,06 эВ). Присутствие «тяжелых» атомов внедрения, например кислорода, в сплавах Nb-H приводит к изменению параметров релаксационных процессов, обусловленных диффузией под напряжением как самих атомов внедрения (см. разд. 4.2.4), так и к возникновению новых эффектов, обусловленных диффузией водорода. Атомы водорода или дейтерия притягиваются к атому кислорода, занимающему октаэдрическое междоузлие в решетке ниобия или тантала (рис. 4.23, а). Они как бы попадают в «ловушку» (рис. 4.23, б), продолжая перемещаться диффузионным путем по тетраэдрическим междоузлиям решетки вокруг атома О и образуя в паре с ним нечто вроде «гантели», один конец которой (атом Н) более подвижен, чем второй конец (атом О). Релаксационный эффект (рис. 4.23, в), впервые обнаруженный в Nb (Я ~ 0,18 эВ, т₀~ 10 ¹⁵ с) и Та (Я ~ 0,12 эВ, то ~ КГ¹² с), обусловленный переориентаций гантели «Н-О» в поле напряжений, получил название релаксации Канне- ли - Вердини но именам его первооткрывателей [28]. Иногда этот пик не совсем обоснованно считают водородным пиком Снука.

Степень релаксации, создаваемая атомом водорода, мала, поэтому высота пиков Каннели - Вердини, как правило, не превышает значения <2 '= 0,001. Они имеют ориентационную зависимость, отличную от таковой для пика Снука. Очистка сплава от тяжелых атомов внедрения (О или N) приводит к исчезновению пика. Атомы замещения оказывают влияние на активационные параметры и степень релаксации.

Присутствие водорода в металлах, помимо релаксации Горского и Каннели - Вердини, способствует возникновению целого ряда неупругих эффектов. В табл. 4.11 приведена классификация этих эффектов по Зиннингу [9].

Рис. 4.23. Модель расположения атома О (большой темный кружок) и атомов Н (маленькие черные кружки) в решетке Nb или Та (о); модель изменения энергии атома Н вблизи атома О (б); пик Каннели - Вердини на температурных зависимостях ВТ в сплаве Nb-H-O (в)

Классификация механизмов неупругой релаксации, связанных с присутствием водорода в металлах, по типу движения дефектов

Таблица 4.11

• [1] Вадим Сергеевич Горский (1905-1937), физик, научный руководитель рентгеновской лаборатории ФТИ (г. Харьков). Им открыт эффект восходящей диффузиии диффузионного последействия. Расстрелян 8 ноября 1937 г., в 1956 г. дело прекращено «за отсутствием состава преступления». Из письма Л.Д. Ландау военномупрокурору (1956 г.): «Вадим Сергеевич Горский был крупнейшим в Союзе специалистом по рентгеноструктурному анализу. Достаточно сказать, что до настоящеговремени, несмотря на прошедшие двадцать лет, мы не имеем в этой области физикаравной ему силы».