Влияние водорода на физические и механические свойства конструкционных материалов

Влияние водорода на физические и механические  свойства конструкционных  материалов

Водород (лат. Hydrogenium – вода и рождаю) – первый, наиболее легкий химический элемент Периодической системы Д.И.Менделеева. При нормальных условиях водород – газ. Атомная масса 1,0794±0,0007 (второе слагаемое учитывает колебания изотопного состава).

Природный водород состоит  из двух стабильных изотопов: протия 1Н  и

дейтерия 2Н (или Д), содержание последнего 1,1…1,6 ?10-3 ат.%. Известен также радиоактивный изотоп – тритий 3Н (Т).

Ядро атома протия –  протон. Атом водорода имеет один электрон, занимающий 1s1 – орбиталь. Степень окисления +1 (наиболее распространена), -1 – в гидридах.

При взаимодействии с различными реагентами водород в зависимости  от условий способен образовывать ковалентную (например SiH4), ионную (с щелочными и щелочноземельными металлами, NaH) или металлическую связи (в частности, твердые растворы водорода в металлах: железе, меди, хроме и их подгрупп, а также платиновой группе). Кроме того, различают и так называемые полимерные гидриды – соединения обычно металлов с водородом. Такие соединения водорода возникают у элементов подгрупп цинка и галлия, у алюминия, берилия и, возможно, у магния. Примером полимерного гидрида может служить (AlH3)х, где х – степень полимеризации.

Для хрома, кобальта, меди, железа и других характерно увеличение содержания водорода (растворимости водорода, см3/100 г металла). У титана, циркония при комнатной температуре водород  практически целиком превращается в соответствующий гидрид; при повышении температуры гидриды распадаются (также у палладия, ванадия и др.). Образование гидридов сопровождается, как правило, большим тепловым эффектом, т.е. поглощение водорода металлами в большинстве случаев есть процесс экзотермический.

Источниками водорода могут  быть все соединения органической и  неорганической природы. Основным источником водорода, поступающего в металл, является вода.

Вытеснять водород из молекулы воды способны в обычных условиях щелочные и щелочноземельные металлы, ряд металлов, стоящих в ряду напряжения левее водорода и имеющих нормальный электродный потенциал в растворе с отрицательным знаком. При этом потенциал самого водорода в ряду напряжений принят за нулевое значение. Водород выделяется также при реакции сплавов и гидридов с водой, при взаимодействии кислот с металлами. Электролиз водных растворов, высокие температуры и катализаторы могут приводить к возникновению водорода и при реакциях неметаллов с парами воды.

Поставщиками водорода служат также органические углеводороды, смазочные  материалы нефтяного происхождения, поверхностно-активные вещества, полимеры и другие жидкие и твердые вещества. Кроме того, водород входит в состав ряда газообразных продуктов сгорания дерева, угля, жидкого и газообразного топлива, низкомолекулярных соединений, возникающих при механо- и термодеструкции полимерных материалов, сероводород и иные водородсодержащие соединения. Наводороживание металлов может быть вызвано также воздействием кислот, щелочей, солей, некоторых газов, коррозией.

Источниками водорода служат и биологические объекты, содержащие белок (животный мир, растения).

Водород в металлах разделяют  на две группы: “биографический”, проникающий  в металл при получении и обработке, и эксплуатационный, попадающий в  процессе работы деталей.

Рис. 1. Возможные пути появления “биографического” водорода при получении стали или изделия

Количество, состояние и  распределение водорода в металлах в значительной степени зависит  от несовершенства кристаллической  структуры. Отклонения структуры реальных твердых тел (и металлов) от идеальной периодической кристаллической решетки обычно называют дефектами структуры, которые в гомогенных однофазных системах могут быть разных размеров и форм, типов и концентрации (нульмерные, одномерные, двумерные и трехмерные).

К нульмерным (точечным) дефектам, наиболее распространенным в реальных кристаллах, относят структурные несовершенства, соизмеримые с атомными размерами: вакансии, межузельные атомы, скопления точечных дефектов, примесные атомы (чужеродные или избыточные) и их ассоциации. Характер, концентрация, распределение дефектов зависят от условий кристаллизации, чистоты материала, внешних условий, температуры, ионизирующих облучений и других физических полей (электрических, магнитных, механических и их совокупности)

Одномерными или линейными дефектами являются дислокации различного типа (линейные, краевые, винтовые, промежуточные), цепочки точечных дефектов, которые характеризуются макроскопической протяженностью и малым поперечным сечением. Обычно дислокации возникают в процессе кристаллизации и их число растет с увеличением напряжений.

Двумерные или поверхностные дефекты – границы блоков мозаики, зерен, двойников, дефекты упаковки (изъятие или внедрение в кристалл избыточных атомных плоскостей), образующие поверхности кристаллов.

Трехмерные (объемные) дефекты представляют собой скопления вакансий, образующих поры, каналы, включения посторонней фазы, пузырьки газов, флокены, а также скопления примесей на дислокациях и в зонах роста.

Обычно в реальных твердых  телах существует весь набор дефектов, которые под влиянием внешних  воздействий могут взаимопревращаться и мигрировать по объему кристалла. Дефекты вызывают упругие искажения структуры и появление внутренних напряжений и сказываются на механических, электрических, тепловых, магнитных свойствах кристаллов.

1. Влияние водорода на физические и механические  свойства конструкционных  материалов

2. Что такое «поверхностная энергия»?