Dissertation

111

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты работы заключаются в следующем.

1 Сформулированы математические модели для решения проблем водородной хрупкости бездислокационных металлических кристаллов согласно механизму атомной декогезии (HEDE).

2Рассчитаны функции межатомного взаимодействия для системы Fe-H

врамках ЕАМ-приближения. Преимущество рассчитанных потенциалов состоит в том, что функции межатомного взаимодействия Fe-Fe подогнаны под свойства низкотемпературной фазы α-Fe и высокотемпературной фазы γ- Fe, что является существенно важным при моделировании системы Fe-H.

3На атомарном уровне описаны стадии деформирования системы чистого Fe и бинарной системы Fe-H, а также стадия разрушения в системе

Fe-H.

4Показано, что в системе чистого ОЦК-Fe объемный дефект кристаллического строения может являться зародышем двойниковой структуры и приводить к более раннему появлению пластической деформации, обусловленной двойникованием.

5Показано, что водород, находящийся в тетрапорах кристаллического ОЦК-Fe, оказывает декогезионное воздействие на металлическую матрицу.

При этом, согласно диаграммам растяжения, снижение теоретического предела прочности составляет менее 40 %. Следовательно, учитывая значения предела текучести реальных материалов, явление транскристаллитного водородного охрупчивания в наномасштабных областях систем на основе Fe происходит вследствие HELP-механизма

(дислокационный механизм) или совместного действия HELP- и HEDE-

механизмов. Развитие наноразмерных трещин по HEDE-механизму без участия дислокаций маловероятно.

6 Показано, что влияние Н на диаграммы растяжения Fe усиливается при наличии объемного кристаллического дефекта. В присутствии водорода

112

снижаются предел текучести, предел прочности бездислокационных кристаллов. Происходит это вследствие появления локальной диффузионной пластической деформации, приводящей к появлению площадки текучести на диаграмме растяжения при 3 % деформации. В случае отсутствия водорода текучесть наступает при деформации 7 %. Также снижаются напряжения,

необходимые для образования двойниковых структур.

7 Показано, что наличие водорода в бездислокационных кристаллах может приводить к локализации деформации и разрушения.

8 Во всех вычислительных экспериментах разрушению кристаллов Fe в

наномасштабных областях предшествовала стадия пластической деформации, независимо от наличия водорода в системе. Пластическая деформация в бездислокационных кристаллах обусловлена образованием двойников и перераспределением водорода в системе Fe-H (диффузионной пластической деформацией). Хрупкого разрушения обнаружено не было.

9 Разработан программный комплекс для моделирования методом классической молекулярной динамики с возможностью применения потенциалов в приближениях парного взаимодействия, ЕАМ, ADP.

Преимущество разработанного комплекса заключается в возможности рационального использования мощностей центрального многоядерного процессора, позволяющего проводить расчеты систем до 1000000 атомов на одном современном персональном компьютере, – применена технология параллельного программирования OpenMP совместно с С++. В

разработанном программном комплексе имеется возможность анализа полученных результатов, а именно, расчета диаграмм деформации,

построения функций радиального распределения атомов, расчета коэффициентов Стейнхардта – обеспечивающих распознавание кристаллической структуры численными методами.

113

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.Johnson W.H. On some remarkable changes produced in iron and steel by the action of hydrogen and acids // Proceedings of the Royal Society of London. 1875. V. 23. P. 168 - 179.

2.Robertson I.M. The effect of hydrogen on dislocation dynamics // Engineering Fracture Mechanics. 2001. V. 68, № 6. P. 671 - 692.

3.Robertson I.M., Birnbaum H.K. Dislocation mobility and hydrogen – A brief review // Proceedings of 11-th International Conference of Fracture. Symposium of Hydrogen Embrittlement. Torino. Italy. 2005. P. 5759.1 – 5759.6.

4.Носов В. К., Колачев Б. А. Водородное пластифицирование при горячей деформации титановых сплавов. М.: Металлургия. 1986. 119 c.

5.Zong Y. Y., Shan D.B., Lyu Y., Guo B. Effect of 0.3 wt%H addition on the high temperature deformation behaviors of Ti-6Al-4V alloy // Intermational Journal of Hydrogen Energy. 2007. V. 32, № 16. P. 3936 - 3940.

6.Шаповалов В.И., Карпов В.Ю. О возможности перехода железа в квазижидкое состояние при полиморфном превращении в атмосфере водорода // Металлы. 1982. № 1. С. 59 - 63.

7.Вараксин Н.А., Козяйчев В.С. Диффузия водорода в палладии:

моделирование методом молекулярной динамики // Физика металлов

иметалловедение. 1991. № 2. С. 45 - 51.

8.Цветков С.А., Бондаренко Н.Б., Бельтюков И.Л., Вараксин А.Н., Живодеров А.А. Расчеты методом молекулярной динамики фазовых переходов в системе Pd-D и холодный ядерный синтез // Физика металлов

иметалловедение. 1991. Т. 76, № 4. С. 94 - 97.

9.Товбин Ю.К., Вотяков Е.В. Оценка влияния растворенного водорода на механические свойства палладия // Физика твердого тела. 2000. Т. 42, № 7. С. 1158 - 1160.

114

10.Коротеев Ю.М., Гимранова О.В., Чернов И.П. Миграция водорода в палладии: расчеты из первых принципов // Физика твердого тела. 2011. Т. 53, № 5. С. 842 - 846.

11.Алефельд Г., Фёлькль И. Водород в металлах. Т. 1. М.: Мир. 1981.

476 c.

12.Плетнев Р.Н., Купряжкин А.Я., Дмитриев А.В., Заболоцкая Е.В. Состояние водорода в кубическом дигидриде циркония // Журнал структурной химии. 2002. Т. 43, № 3. С. 482 - 485.

13.Плетнев Р.Н., Купряжкин А.Я., Дмитриев А.В., Заболоцкая Е.В. Протонный магнитный резонанс и состояние водорода в тетрагональном дигидриде циркония // Электронный журнал «Исследовано в России». URL: http://zhurnal.gpi.ru/articles/2001/136.pdf(дата обращения 15.02.2011).

14.Иванова С.В., Глаговский Э.М., Хазов И.А., Курдюмов А.А., Орлов В.К., Шлепов И.А., Никитин К.Н., Дубровский Ю.В., Селезнева Л.В., Денисов Е.А., Габис И.Е. Пути решения проблемы водородного охрупчивания циркониевых изделий // 4-я междунар. школа молодых ученых

испециалистов "Взаимодействие изотопов водорода с конструкционными материалами. IHISM-2008 JUNIOR": сб. докладов. 2009. Саров: РФЯЦВНИИЭФ. С. 51 - 75.

15.Нечаев Ю.С. Физические комплексные проблемы старения, охрупчивания и разрушения металлических материалов водородной энергетики и магистральных водопроводов // Успехи физических наук. 2008. Т. 178, № 7. C. 709 - 726.

16.Швачко В.И. Водородная хрупкость ОЦК-сплавов железа // Вопросы атомной науки и техники (ВАНТ). 2000. № 5. С. 79 - 86.

17.Арзамасов Б.Н. Материаловедение. М.: Машиностроение. 1986.

384 c.

18.Ramasubramaniam A., Itakura M., Ortiz M., Carter E.A. Atomic scale plasticity on H diffusion in Fe: Quantum mechanically informed and on-the-fly

115

KMC simulations // Journal of Matererials Research. 2008. V. 23, № 10. P. 2757 -

2773.

19.Beachem C.D. A new model for hydrogen-assisted cracking (hydrogen embrittlement) // Metall trans A. 1972. V. 3. P. 437 - 451.

20.Lynch S.P. Mechanism of hydrogen-assisted cracking // Metals Forum. 1979. V. 2. P. 189 - 200.

21.Lynch S.P. Environmentally assisted cracking: overview of evidence for an adsorption-induced localized-slip process // Acta Metallurgica. 1988. V. 36,

№10. P. 2639 - 2661.

22.Sirois E., Birnbaum H.K. Effects of hydrogen and carbon on thermally activated deformation of nickel // Acta Metallurgica et Materialia. 1992. V. 40,

№6. P. 1377 - 1385.

23.Birnbaum H.K, Sofronis P. Hydrogen-enhanced localized plasticity – a mechanism for hydrogen-related fracture // Materials Science and Engineering: A. 1994. V. 176. P. 191 - 202.

24.Nedelcu S. and Kizler P. Molecular dynamics simulation of hydrogen– edge dislocation interaction in bcc iron // Physica Status Solidi (A) Applied Research. 2002. V. 193, №1. P. 26 - 34.

25.Abraham D.P., Altstetter C.J. Hydrogen-enhanced localization of plasticity in an austenitic stainless steel // Metallurgical and Materials Transaction: A. 1995. V. 26, № 11. P. 2859 - 2871.

26.Birnbaum H.K. Hydrogen effects on deformation - Relation between dislocation behavior and the macroscopic stress-strain behavior // Scripta Metallurgica and Materialia. 1994. V. 31, № 2. P. 149 - 153.

27.Jiang D.E., Carter E.A. First principles assessment of ideal fracture energies of materials with mobile impurities: implications for hydrogen embrittlement of metals // Acta Materialia. 2004. V. 52, № 16. P. 4801 - 4807.

28.Petch N.J. The lowering of fracture-stress due to surface adsorption // Philosophical Magazine. 1956. V. 1, № 4. P. 331 - 337.

116

29.Tromans D. On surface energy and the hydrogen embrittlement of iron and steel // Acta Metallurgica et Materialia. 1994. V. 42, № 6. P. 2043 - 2049.

30.Van der Wen A., Ceder G. The thermodynamics of decohesion // Acta Materialia. 2004. V. 52, № 5. P. 1223 - 1235.

31. Frohmberg R.P., Barnett W.J., Troiano A.R. Delayed failure

and hydrogen embrittlement in steel.// Trans. ASM. 1955. № 47. P. 892 - 925.

32.Oriani R.A., Josephic P.H. Equilibrium aspects of H-induced cracking of steels // Acta Metallurgica. 1974. V. 22, № 9. P. 1065 - 1074.

33.Birnbaum H.K. Mechanical properties of metal hydrides // Journal of the Less Common Metals. 1984. V. 104, № 1. P. 31 - 41.

34.Shih D.S., Robertson I.M., Birnbaum H.K. Hydrogen embrittlement of alpha titanium: in situ TEM studies // Acta Metallurgica. 1988. V. 36, № 1. P. 111 - 124.

35.Gangloff R. P. Hydrogen assisted cracking of high strength alloys // New York, USA: Comprehensive Structural Integrity. 2003. V. 6. P. 31 - 101.

36.Индейцев Д.А., Осипова Е.В. Водородное охрупчивание под действием нагрузки как фазовый переход первого рода // Физика твердого тела. 2009. Т. 51, № 9. С. 1790 - 1795.

37.Hirth J.P. Effects of hydrogen on the properties of iron and steel // Metallurgical and materials Transactions A. 1980. V. 11. P. 861 - 890.

38.Smithson H., Marianetti C. A., Morgan D., Van der Ven A., Predith A., Ceder G. First-principles study of the stability and electronic structure of metal hydrides // Physical Review B. 2002. V. 66, № 14. P. 144107.1 - 144107.10.

39.Ćwiek J., Zieliński A. Mechanism of hydrogen enhanced-cracking of high-strength steel welded joints // Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering. 2006. V. 18, №№ 1, 2. P. 207 - 210.

40. Novak P., Yuan R., Somerday B.P., Sofronis P., Ritchie R.O.

A statistical, physical-based, micro-mechanical model of hydrogen-induced

117

intergranular fracture in steel // Journal of the Mechanics and Physics of Solids.

2010. V. 58, № 2. P. 206 - 226.

41.Ćwiek J. Hydrogen degradation of high-strength steels // Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering. 2009. V. 37, № 2. P. 193 - 212.

42.Wen M., Xu X-J., Fukuyama S, Yokogawa K. Embedded-atom-method functions for the body-centered-cubic iron and hydrogen// Journal of Matererials Research. 2001. V. 16, № 2. P. 3496 - 3502.

43.Xu X., Wen. M, Hu Zh., Fukuyama S., Yokogawa K. Atomistic process on hydrogen embrittlement of a single crystal of nickel by the embedded atom method // Computational Materials Science. 2002. V. 23, № 14. P. 131 - 138.

44.Диаграммы состояния двойных металлических систем. Т. 2: под ред. Н.П. Лякишева. М.: Машиностроение. 1997. 1024 С.

45.Jiang D.E., Carter E.A. Adsorption and diffusion energetics of hydrogen atoms on Fe(110) from first principles // Surface Science. 2003. V. 547, №№ 1-2. P. 85 - 98.

46.Jiang D.E., Carter E.A. Diffusion of interstitial hydrogen into and through bcc Fe from first principles // Physical Review B. 2004. V. 70, № 6. P. 064102.1 - 064102.9.

47.Puska M. J., Nieminen R.M. Theory of hydrogen and helium impurities in metals // Physical Review B. 1984. V. 29, № 10. P. 5382 - 5397.

48.Sanchez J., Fullea J., Andrade C., de Andres P. L. Hydrogen in α-iron: Stress and diffusion // Physical Review B. 2008. V. 78, № 1. P. 014113.1 - 014113.7.

49.Максимов Е.Г., Панкратов О.А. Водород в металлах // Успехи физических наук. 1975. Т. 16, № 3. P. 385 - 412.

50.Besenbacher F., Myers S.M., Nordlander P., Nørskov J.K. Multiple hydrogen occupancy of vacancies in Fe // Journal of Applied Physics. 1987. V. 61, № 5. P. 1788 - 1794.

118

51.Nordlander P., Nørskov J.K., Besenbacher F., Myers S.M. Multiple deuterium occupancy of vacancies in Pd and related metals // Physical Review B. 1989. V. 40, № 3. P. 1990 - 1992.

52.Tateyama Y., Ohno T. Stability and clusterization of hydrogen-vacancy complexes in α–Fe: An ab initio study // Physical Review B. 2003. V. 67, № 17. P. 174105.1 - 174105.10.

53.Wen M., Fukuyama S., Yokogawa K. Atomistic simulations of effect of hydrogen on kink-pair energetics of screw dislocations in bcc iron // Acta Materialia. 2003. V. 51, № 6. P. 1767 - 1773.

54.Kumnick A.J., Johnson H.H. Deep trapping states for hydrogen in deformed iron // Acta Metallurgica. 1980. V. 28, № 1. P. 33 - 39.

55.Daw M.S., Baskes M.I. Chemistry and Physics of Fracture. Eds.: Latanision R.M., Jones R.H. 1987. P. 196 - 218.

56.Itsumi Y., Ellis D. E. Electronic bonding characteristics of hydrogen in bcc iron: Part I // Journal of Materials Research. 1996. V. 11, № 9. P. 2205 - 2213.

57.Johnson D. F., Carter E. A. Hydrogen in tungsten: Absorption, diffusion, vacancy trapping, and decohesion // Journal of Matererials Research. 2010. V. 25, № 2. P. 315 - 327.

58.Lee S.L., Unger D.J. A decohesion model of hydrogen assisted cracking // Engineering Fracture Mechanics. 1988. V. 31, № 4. P. 647 - 660.

59.Serebrinsky S., Carter E.A., Ortiz M. A quantummechanically informed continuum model of hydrogen embrittlement // Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 2004. V. 52, № 10. P. 2403 - 2430.

60.Hayes R.L., Ortiz, M., Carter, E.A. Universal binding-energy relation for crystals that account for surface relaxation // Physical Review B. 2004. V. 69, № 17. P. 172104.1 - 172104.4.

61.Nguyen O., Ortiz M. Coarse-graining and renormalization of atomistic

binding relations and universal macroscopic cohesive behavior // Journal

of the Mechanics and Physics of Solids. 2002. V. 50, № 8. P. 1727 - 1741.

119

62.Владимиров В.И. Физическая природа разрушения металлов. М.: Наука. 1984. 280 c.

63.Регель В.Р., Слуцкер А.И., Томашевский Э.Е. Кинетическая природа прочности твердых тел. М.: Наука. 1974. 560 c.

64.Нагорных И.Л., Бесогонов В.В., Бурнышев И.Н. О выборе потенциалов межатомного взаимодействия для системы Fe в приближении метода погруженного атома // Вестник ИжГТУ. 2010. №4. С. 141 - 143.

65.Нагорных И.Л., Бесогонов В.В., Бурнышев И.Н., Аксаков А.В. Применимость потенциалов метода погруженного атома для железа вблизи температуры плавления // ВНКСФ-13: материалы конференции. Ростов-на- Дону – Таганрог: АСФ России. 2007. C. 251 - 252.

66.Нагорных И.Л., Бесогонов В.В., Бурнышев И.Н., Аксаков А.В. Возможность применения потенциала в рамках метода погруженного атома для расчета фазовых переходов и плавления железа // 4-я научнотехническая конференция с международным участием "Приборостроение в XXI веке": сб. научных трудов. Ижевск: Ижевский государственный технический университет. 2007. С. 544 - 549.

67.Нагорных И.Л., Бесогонов В.В., Бурнышев И.Н. Исследование динамики водорода в вакансиях и бивакансиях железа (метод молекулярной динамики) // 75 лет высшему образованию в Удмуртии: материалы международной научной конференции. Ижевск: Удмуртский Государственный Университет. 2006. C. 37 - 39.

68.Нагорных И.Л., Бесогонов В.В., Бурнышев И.Н., Аксаков А.В. Обоснование выбора МПА-потенциалов для железа в численных экспериментах // Тезисы докладов 27 Российской школы, посвященной 150летию К.Э. Циолковского, 100-летию С.П. Королева и 60-летию Государственного ракетного центра «КБ им. академика В.П. Макеева». Миасс-Москва. М.: РАН. 2007. С. 422-424.

120

69. Нагорных И.Л., Бесогонов В.В., Бурнышев И.Н., Аксаков А.В. Обоснование выбора МПА-потенциалов для железа в численных экспериментах // Наука и технологии. Труды 27 Российской школы, посвященной 150-летию К.Э. Циолковского, 100-летию С.П. Королева и 60летию Государственного ракетного центра «КБ им. академика В.П. Макеева». М.: РАН. 2007. С.422.

70.Alder B. J., Wainwright T. E. Phase Transition for a Hard Sphere System // Journal of Chemical Physics. 1957. V. 27. P. 1208 - 1209.

71.Хеерман Д.В. Методы компьютерного эксперимента в теоретической физике. М.: «Наука». 1990. 176 c.

72.Jones J.E. On the Determination of Molecular Fields. I. From the Variation of the Viscosity of a Gas with Temperature // Proceedings of the Royal Society of London. Series A. 1924. № 106. P. 441 - 462.

73.Jones J.E. On the Determination of Molecular Fields. II. From the Equation of State of a Gas // Proceedings of the Royal Society of London. Series A. 1924. № 106. P. 463 - 477.

74.Киттель Ч. Введение в физику твёрдого тела. М.: «Наука». 1978.

791 c.

75.Buckingham R. A. The Classical Equation of State of Gaseous Helium, Neon and Argon // Proceedings of the Royal Society of London. Series A. Mathematical and Physical Sciences. 1938. V. 168. P. 264 - 283.

76.Кривцов А.М., Кривцова Н.В. Метод частиц и его использование в механике деформируемого твердого тела // Дальневосточный математический журнал ДВО РАН. 2002. Т. 3, № 2. C. 254 - 276.

77.Morse P. M. Diatomic molecules according to the wave mechanics. II. Vibrational levels // Physical Review. 1929. V. 34, № 1. P. 57 - 64.

78.Yamamoto R., Matsuoka H., Doyama M. A realistic structural model of glassy iron // Physics Letters: A. 1978. V. 64, № 5. P. 457 - 459.