Межвузовский сборник "Технология производства электронных приборов", Вып.1, М., 1978 г., стр.112-120

УДК 669.5:621.3.032.211

ОБЕЗГАЖИВАНИЕ ОБОЛОЧКИ ИЗ СТАЛИ X18HI0T ПОД ДЕЙСТВИЕМ МЕХАНИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ

Александрова А.Т., Бекман И.Н., Горюнов А.А.

Приведены результаты экспериментальных исследований влияния на процесс обезгаживания тонкостенных образцов из стали Н8Н10Т пластической деформации при температуре 20^оС.
Рассмотрен возможный механизм диффузии и дано его математическое описание. Показано, что при низких температурах и больших скоростях деформации диффузия определяется кинетикой движения дислокаций.

Конструктивные элементы откачанных ЭВП или элементы вакуумных систем, воспринимая статические и повторно-статические нагрузки, могут интенсивно выделять газ и, в случае недостаточно обезгаженных металлов, поток может быть достаточно ощутим. Например, при герметизации штенгелей электровакуумных приборов методом диффузионной сварки наблюдалось явление "всплеска" газового потока [1] . Аналогичные результаты были получены в экспериментах по изучению кинетики газовыделения прутков молибдена, магния и алюминия

Нами были проведены эксперименты по определению кинетики обезгаживания образцов из стали XI8HI0T под действием механических нагрузок, на ранее разработанной аппаратуре [2]. Проводились исследования системы водород-сталь XI8HI0T. Водород вводили в цилиндрический образец при 400°С методом проницаемости. При достижении стационарного потока, температуру понижали до комнатной, а затем откачивали водород с входной стороны образца. При этом давление в приемнике устанавливалось не хуже 10-5 Па. Кинетика газовыделения водорода в вакуум изучалась при комнатной температуре в режиме статического ступенчатого нагружения от 25 до 55 кГ/мм² через каждые 5 кГ/мм².

Нагружения до d= 25 кГ/мм² газовыделения из образца не вызывали. Однако, начиная уже с напряжения d= 30 кГ/мм² происходило резкое газовыделение. Интересно отметить, что через 15 сек после создания в образце напряжения d= З0 кГ/мм² газовый поток достигал максимума 1 см³•Па•с^-1. Одновременно о этим было отмечено удлинение образца на некоторую величину. Затем давление плавно уменьшалось до исходного уровня 10 Па, после чего нагрузка снималась. При повторении цикла с тем же уровнем напряжения никакого газовыделения не наблюдалось. Однако при d = З5 кГ/мм² вновь имело место импульсное выделение водорода. Подобные эффекты были обнаружены и в последующих третьем, четвертом и пятом циклах соответственно при d= 40, 45, 50 кГ/мм². (См. рис 1)

Рис.1. Кинетика выделения-водорода в процессе деформации (нержавеющая сталь, ступенчатое нагружение) при комнатной температуре: 1 - изменение потока газа; 2 - удлинение образца.

Таким образом, выполненный нами эксперимент показал, что при некоторых критических нагрузках в области пластической деформации имеет место аномально большое выделение водорода. При этом, для каждого последующего цикла всплеск газовыделения приходится на более высокое, относительно предыдущего, напряжение.

Как видно из приведенного графика, высота пиков сначала падает, что создает иллюзию обезгаженности металла, но затем снова увеличивается. Последний, пятый пик является самым высоким. С другой стороны, последующий шестой цикл нагружения приводит лишь к незначительному выделению водорода. Если теперь снять нагрузку и нагреть образец, газовыделение не обнаруживается вовсе. Это позволяет сделать вывод о том, что циклические нагрузки за пределом пропорциональности могут приводить к интенсификации процесса газовыделения.

Необходимо отметить, что наблюдаемый эффект достаточно хорошо воспроизводится. Аналогичные результаты были получены в работе [4]. В сферическую оболочку из аустенитной стали, насыщенную тритием при 200°С нагнетали гелий, создавая таким образом, напряжение в ней. Когда напряжения превышали dт для данного металла, наблюдалось выделение трития из оболочки.

Рис.2. Зависимость скорости газовыделения от времени при ступенчатом нагружении (уравнение 7).

Математическое описание наблюдаемого процесса может быть сведено к поэтапному решению диффузионных уравнений:

1. Определение распространения концентрации водорода по толщине образца для граничных условий, соответствующих процессу наводораживания образца при 400°С.
2. Оценка величины диффузионного потока в вакуум для граничных условий низкотемпературного обезгаживания при найденном распределении концентрации.
3. Решения диффузионных уравнений для граничных условий по п.2 и начальных условий по п.1 с учетом зависимости коэффициента диффузии от времени.

В последнем случае следует предварительно установить связь этого коэффициента с величиной и темпом деформации.

Как известно, распределение концентрации газа по толщине плоской диффузионной мембраны для процесса проницаемости имеет вид:

(1)

где D* - коэффициент диффузии, С₀* - предельная растворимость водорода в стали при температуре 400°С, H - толщина мембраны, x - координата, t - время

В данном случае формула корректна, так как толщина стенки цилиндрического образца много меньше его диаметра.

Применительно к стационарному процессу выражение (1) упрощается и принимает следующий вид:

(2)

Очевидно, что градиент концентрации линеен и не зависит от коэффициента диффузии.

Поток водорода при обезгаживании пластины с начальными условиями, соответствующими (2), определяются из следующего выражения:

(3)

где- начальная величина потока; D- коэффициент диффузии для водорода в стали при комнатной температуре, см²с^-1, К_р* - константа растворимости (при 400°С); S - площадь мембраны, см²; p* - давление водорода на входной стороне при ее насыщении,

При этом, предполагается, что распределение (2) сохраняется в процессе охлаждения образца. Для этого же потока в условиях зависимости коэффициента диффузии от времени можно воспользоваться выражением (3), применив формальную подстановку:

(4)

или

(5)

Исходя из конкретных условий эксперимента возможно заменить D(t) аналогичной зависимостью D*(t) - коэффициента диффузии в зависимости от величины напряжения в образце и температуры:

где D(T) - коэффициент диффузии, зависящий от температуры; D*(d) - коэффициент диффузии, зависящий от приложенной нагрузки.

В первом приближении мы принимаем, что для пластической деформации при комнатной температуре имеет место следующая зависимость:

D*(t)= D(d)=D₀(d)e^-B/d,

где d - напряжение пластической деформации; В - некоторая постоянная.

(Здесь предполагается, что зависимость D(T) - при комнатной температуре мала).

Найдем теперь решение уравнения (5) с учетом (6) для ступенчатого нагружения образца.

Поскольку в подобном процессе нагрузка резко изменяется от d₁ до d₂ можно считать, что и коэффициент диффузии будет меняться от D(d₁) до D(d₂).

Рассмотрим простейший случай нагружения от d= 0 до некоторого значения d так, что коэффициент диффузии меняется от 0 до D(d). Тогда уравнение, выражающее зависимость потока газовыделения от времени будет иметь следующий вид:

(7)

где

Графическое изображение зависимости (7) будет иметь форму импульса с крутым передним фронтом, а падающая ветвь кривой при достаточно большом времени t имеет вид экспоненты (рис.2). Очевидно, импульс газовыделения тем выше, чем больше величина ступеньки.

Площадь под кривой соответствует количеству десорбированного газа. Значение пика и форма импульса определяется параметрами d и В, которые в принципе, можно определить экспериментально на нескольких одинаковых образцах при различных нагрузках.

Таким образом, предложенное математическое описание механизма диффузии при пластической деформации качественно согласуется с экспериментом. Следует, однако, отметить, что использованные здесь классические представления требуют завершения процесса обезгаживания в первом же цикле нагружения. Между тем для этого требуется несколько циклов, причем всплеск газовыделения максимален в последующем из них.

Следовательно, эксперимент свидетельствует о дискретном спектре потенциальных ям или состояний абсорбированного газа. При математической обработке этой схемы потребовалось бы учитывать наличие ловушек различного типа. Физическое толкование процесса диффузии водорода в условиях пластической деформации при комнатной температуре также представляется интересным. Как известно, растворенный водород прочно удерживается в стали, несмотря на значительный коэффициент диффузии при комнатной температуре. Это вызвано двумя причинами:

1. При низких температурах скорость газоотделения может определяться поверхностными процессами.

2. Часть диффундирующего водорода задерживается в молекулярной форме дефектами кристаллической решетки металла: границами зерен или скоплениями дислокаций.

При этом следует учитывать, что роль дислокаций может быть двоякой: с одной стороны наличие дислокационных трубок облегчает диффузию, с другой - они являются ловушками, захватывающими газ. Поскольку в стали большая часть дислокаций имеет вид петель, не выходящих на поверхность, следует ожидать, что второе явление будет преобладающим. Однако в процессе деформации двигаются дислокации к поверхности образца. Увлекая за собой водород, они будут содействовать обезгаживанию, нейтрализуя действие ловушек и поверхностных процессов. Если темп газоотделения определяется количеством водорода, связанным с такими дислокациями, то эффективный коэффициент диффузии будет пропорционален скорости их движения, которая, в свою очередь, зависит от усилия, приложенного к образцу. Согласно работе [3] эта зависимость выражается следующим образом:

где V₀ и А - некоторые константы ; d - компонента скалывающего напряжения.

Поскольку коэффициент диффузии пропорционален скорости движения дислокаций, то можно утверждать, что он таким же образом поток экспоненциально увеличивается с нагрузкой.

Как известно, при постоянной нагрузке имеет место упрочнение металла и деформация прекращается. Одновременно прекращается и газовыделение. При этом дислокации вышедшие в результате деформации на поверхность легко отдают водород, а замкнутые в объеме, напротив, стремятся к его накоплению. При повторной нагрузке уже упрочненного металла движение дислокаций, а следовательно, и выделение водорода будет происходить уже при больших напряжениях, что и иллюстрируется результатами эксперимента.

Таким образом, анализ экспериментальных кривых на основе гипотезы пропорциональности скорости газоотдачи темпу движения дислокаций, (которые, в свою очередь, экспоненциально зависят от нагрузки) дает хорошее совпадение с теорией. Необходимо отметить, что как таковые ни вакансии, ни границы зерен, ни сами дислокации уже возникшие после предварительного нагружения не могут содействовать ускорению газовыделения. Только движущиеся дислокации, возникающие в момент нагружения, способны транспортировать газ из объема металла.

ЛИТЕРАТУРА

1. Любимов Μ.Л., Милкин А.Г., Федченко Г.Ф. "Электроника", 1959, № 3, стр. 3
2. Горюнов А.А., Александрова А.Т. //Исследование газопроницаемости нагруженных тонкостенных оболочек//  Тезисы доклада 1V-й Всесоюзной научно-технической конференции "Физика и техника высокого вакуума" 29-31 окт.1974, стр.105
3. Халл Д. Введение в, дислокации, «Атомиздат»; М.,1968
4. Brander R., Fidelle J., Andure Η. //Экспериментальное доказательство роли дислокаций в транспорте водорода// Hydrogene dens metanx, Congr. int Paris. Vol. 1(1972) 206.