Открытый доступ Открытый доступ  Ограниченный доступ Платный доступ или доступ для подписчиков

К вопросу о влиянии водорода на фазовые превращения, структуру и свойства сплавов. Обзор

Сергей Борисович Наумов, Светлана Викторовна Гиннэ

Аннотация


Представлен информационно-аналитический обзор проведенных к настоящему времени исследований по влиянию водорода как легирующего элемента на фазовые превращения, структуру, механические, демпфирующие и другие характеристики различных сплавов. В первой части статьи обобщены результаты научных работ, посвященных воздействию водорода на структуру и свойства сплавов на основе железа. Во второй части систематизированы данные о влиянии водорода на структуру и ключевые характеристики сплавов высокого демпфирования, а в третьей части — на свойства металлических стекол (аморфных сплавов). По результатам анализа опубликованных работ сделано заключение о том, что водород можно рассматривать как легирующий элемент, повышающий механические и демпфирующие характеристики сплавов. Рассмотрены перспективные направления дальнейших работ в этом направлении.

Ключевые слова


водород; сплавы; мартенситное превращение; внутреннее трение; прочность

Полный текст:

PDF

Литература


Яковлев Ю. А., Полянский В. А., Седова Ю. С., Беляев А. К. Модели влияния водорода на механические свойства металлов и сплавов // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2020. № 3. С. 136 – 160. DOI: 10.15593/ perm.mech/2020.3.13

Oriani R. A. The diffusion and trapping of hydrogen in steel // Acta Metall. 1970. V. 18, Is. 1. P. 147 – 157. DOI: 10.1016/ 0001-6160(70)90078-7

Oriani R. A., Hirth J. P., Smialowski M. Hydrogen Degradation of Ferrous Alloys. Park Ridge, USA: Noyes Publications, 1985. 888 p.

Колачев Б. А. Водородная хрупкость металлов. М.: Металлургия, 1985. 216 с.

Pressouyre G. M. Trap theory of Hydrogen embrittlement // Acta Metall. 1980. V. 28, Is. 7. P. 895 – 911. DOI: 10.1016/ 0001-6160(80)90106-6

Lynch S. Hydrogen embrittlement phenomena and mechanisms // Corros. Rev. 2012. V. 30. P. 105 – 123. DOI: 10.1515/corrrev-2012-0502

Hirth J. P. Effects of hydrogen on the properties of iron and steel // Metall. Trans. A. 1980. V. 11, Is. 6. P. 861 – 890. DOI: 10.1007/BF02654700

Okonkwo P. C., Barhoumi E. M., Belgacem I. B. et al. A focused review of the hydrogen storage tank embrittlement mechanism process // IJHE. 2023. V. 48, Is. 35. P. 12935 – 12948. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2022.12.252

Jia G., Lei M., Li M. et al. Hydrogen embrittlement in hydrogen-blended natural gas transportation systems: A review // IJHE. 2023. V. 48, Is. 82. P. 32137 – 32157. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2023.04.266

Zielinski A. Hydrogen-assisted degradation of some non-ferrous metals and alloys // J. Mater. Process. Technol. 2001. V. 109, Is. 1 – 2. P. 206 – 214. DOI: 10.1016/ S0924-0136(00)00797-4

Craidy P., Briottet L., Santos D. Hydrogen – Microstructure – Mechanical properties interactions in super duplex stainless steel components // IJHE. 2015. V. 40, Is. 47. P. 17084 – 17090.

Shimizu K., Toda H., Fujihara H. et al. Hydrogen partitioning behavior and related hydrogen embrittlement in Al – Zn – Mg alloys // Eng. Fract. Mech. 2019. V. 216. P. 106503. DOI: 10.1016/i.engfracmech.2019.106503

Koyama M., Akiyama E., Sawaguchi T. et al. Hydrogen-assisted quasi-cleavage fracture in a single crystalline type 316 austenitic stainless steel // Corros. Sci. 2013. V. 75. P. 345 – 353. DOI: 10.1016/j.corsci.2013.06.018

Колачев Б. А., Вигдорчик С. А., Мальков А. В., Носов В. К. О благоприятном влиянии водорода на технологическую пластичность титановых сплавов // Технология легких сплавов. 1974. № 7. С. 32 – 35.

Eliezer D., Eliaz N., Senkov O. N., Froes F. H. Positive effects of hydrogen in metals // Mater. Sci. Eng.: A. 2000. V. 280, Is. 1. P. 220 – 224. DOI: 10.1016/S0921-5093(99)00670-X

Ночовная Н. А., Панин П. В. Формирование фазового состава и структуры в титановых сплавах ВТ5, ВТ20 и ВТ6 при термоводородной обработке и пластической деформации // Труды ВИАМ. 2017. Т. 57, № 9. C. 3 – 11. DOI: 10.18577/2307-6046-2017-0-9-1-1

Колачев Б. А., Носов В. К. Водородное пластифицирование и сверхпластичность титановых сплавов // ФММ. 1984. Т. 57, № 2. С. 288 – 297.

Koyama M., Likubo C., Varanasi R. S. Overview of hydrogen effects on – martensitic transformation in steels // ISIJ Int. 2023. V. 64, Is. 4. P. 732 – 741. DOI: 10/2355/ isijinternational.ISIJINT-2023-243

Remy L., Pineau A. Twinning and strain-induced F.C.C.  H.C.P. transformation in the Fe – Mn – Cr – C system // Mater. Sci. Eng. 1977. V. 28, Is. 1. P. 99 – 107. DOI: 10.1016/0025-5416(77)90093-3

Koyama M., Sawaguchi T., Lee T. et al. Work hardening associated with -martensitic transformation, deformation twinning and dynamic strain aging in Fe – 17Mn – 0.6C and Fe – 17Mn – 0.8C TWIP steels // Mater. Sci. Eng. A. 2011. V. 528, Is. 24. P. 7310 – 7316. DOI: 10.1016/j.msea. 2011.06.011

Li Z., Pradeep K. G., Deng Y. et al. Metastable high-entropy dual-phase alloys overcome the strength-ductility trade-off // Nature. 2016. V. 534. P. 227 – 230. DOI: 10.1038/ nature17981

Sawaguchi T., Maruyama T., Otsuka H. et al. Design concept and applications of Fe – Mn – Si-based alloys — from shape-memory to seismic response control // Mater. Trans. 2016. V. 57. P. 283 – 289. DOI: 10.2320/matertrans.MB201510

Ju Y.-B., Koyama M., Sawaguchi T. et al. In situ microscopic observations of low-cycle fatigue-crack propagation in high-Mn austenitic alloys with deformation-induced -martensitic transformation // Acta Mater. 2016. V. 112, Is. 15. P. 326 – 336. DOI: 10.1016/j.actamat.2016.04.042

Sato A., Chishima E., Soma K., Mori T. Shape memory effect in    transformation in Fe – 30Mn – 1Si alloy single crystals // Acta Metall. 1982. V. 30, Is. 6. P. 1177 – 1183. DOI: 10.1016/0001-6160(82)90011-6

Otsuka H., Yamada H., Maruyama T. et al. Effects of alloying additions on Fe – Mn – Si shape memory alloys // ISIJ Int. 1990. V. 30, Is. 8. P. 674 – 679. DOI: 10.2355/ isijinternational.30.674

Hosoya Y., Inoue A., Masumoto T. Effect of hydrogen on crack propagation behavior and microstructures around cracks in austenitic stainless steels // Tetsu-to-Hagané. 1978. V. 64, Is. 6. P. 769 – 778. DOI: 10.2355/tetsutohagane1955.64.6 769

Teus S. M., Shyvanyuk V. N., Gavriljuk V. G. Hydrogen-induced    transformation and the role of -martensite in hydrogen embrittlement of austenitic steels // Mater. Sci. Eng. A. 2008. V. 497, Is. 1 – 2. P. 290 – 294. DOI: 10.1016/ j.msea.2008.07.003

Koyama M., Tasan C. C., Tsuzaki K. Overview of metastability and compositional complexity effects for hydrogen-resistant iron alloys: Inverse austenite stability effects // Eng. Fract. Mech. 2019. V. 214. P. 123 – 133. DOI: 10.1016/j.engfracmech.2019.03.049

Zhang J., Li X. Y., Rong L. J., Li Y. Y. Effect of hydrogen on internal friction of a Fe-based austenitic alloy // AIP Conf. Proc. 2008. V. 986. P. 10 – 17. DOI: 10.1063/1.2900333

Сырых Л. М., Рябов Р. А., Гельд П. В. Влияние водорода на внутреннее трение кремниевых и хромовых ферритов // Физико-химическая механика материалов. 1974. Т. 10, № 4. С. 51 – 53.

Pang Q., Geng C., Wang J. et al. Internal friction study on the influence of pre-deformatIon on hydrogen embrIttlement sensitivity of dual-phase steel // Arch. Metall. Mater. 2022. V. 67, Is. 4. P. 1315 – 1324. DOI: 10.24425/amm.2022.141057

Ogawa Y., Hosoi H., Tsuzaki K. et al. Hydrogen, as an alloying element, enables a greater strength-ductility balance in an Fe – Cr – Ni-based, stable austenitic stainless steel // Acta Mater. 2020. V. 199, Is. 15. P. 181 – 192. DOI: 10.1016/ j.actamat.2020.08.024

Zuo Sh., Xiao F., Jin X. et al. High damping capacity of single crystalline iron-palladium alloy exhibiting a weak first-order martensitic transformation // J. Alloys Compd. 2018. V. 740, Is. 5. P. 1007 – 1011. DOI: 10.1016/j.jallcom.2017.12.304

Xue D., Zhou Y., Ding X. et al. Ambient-temperature high damping capacity in TiPd-based martensitic alloys // Mater. Sci. Eng. A. 2015. V. 632, Is. 24. P. 110 – 119. DOI: 10.1016/j.msea.2015.02.058

Zhou Y., Fan G., Xue D. et al. High damping capacity in a wide ambient-temperature range in hydrogen-doped and hydrogen-free Ti – 45Pd – 5Cr martensitic alloy // Scr. Mater. 2009. V. 616, Is. 8. P. 805 – 808. DOI: 10.1016/j.scriptamat. 2009.06.033

Coluzzi В., Biscarini A., Campanella R. et al. Mechanical spectroscopy and twin boundary properties in a Ni50.8Ti49.2 alloy // Acta Mater. 1999. V. 47, Is. 6. P. 1965 – 1976. DOI: 10.1016/S1359-6454(99)00031-2

Biscarini A., Campanella R., Coluzzi B. et al. Martensitic transitions and mechanical spectroscopy of Ni50.8Ti49.2 alloy containing hydrogen // Acta Mater. 1999. V. 47, Is. 18. P. 4525 – 4533. DOI: 10.1016/S1359-6454(99)00037-7

Rotini A., Biscarini A., Campanella R. et al. Martensitic transition in a Ni40Ti50Cu10 alloy containing hydrogen: calorimetric (DSC) and mechanical spectroscopy experiments // Scr. Mater. 2001. V. 44, Is. 5. P. 719 – 724. DOI: 10.1016/ S1359-6462(00)00672-2

Biscarini A., Coluzzi B., Mazzolai G. et al. Mechanical spectroscopy of the H-free and H-doped Ni30Ti50Cu20 shape memory alloy // J. Alloys Compd. 2003. V. 356 – 357. P. 669 – 672. DOI: 10.1016/S0925-8388(02)01289-6

Biscarini A., Coluzzi B., Mazzolai G. et al. Extraordinary high damping of hydrogen-doped NiTi and NiTiCu shape memory alloys // J. Alloys Compd. 2003. V. 355, Is. 1 – 2. P. 52 – 57. DOI: 10.1016/S0925-8388(03)00267-6

Sakaguchi T., Ueura T., Kogo Y. et al. Effect of hydrogen on damping capacity of Ti50Ni25Cu25 alloy // Mater. Trans. 2005. V. 46, Is. 6. P. 1306 – 1310. DOI: 10.2320/matertrans. 46.1306

Fan G., Zhou Y., Otsuka K. et al. Effects of frequency, composition, hydrogen und twin boundary density on the internal friction of Ti50Ni50–xCux shape memory alloys // Acta Mater. 2006. V. 54, Is. 19. P. 5221 – 5229. DOI: 10.1016/j.actamat. 2006.06.018

Mazzolai F. M., Biscarini A., Campanella R. et al. Internal friction spectra of the Ni40Ti50Cu10 shape memory alloy charged with hydrogen // Acta Mater. 2003. V. 51, Is. 2. P. 573 – 583. DOI: 10.1016/S1359-6454(02)00439-1

Mazzolai F. M., Biscarini A., Coluzzi B. et al. Low-frequency internal friction of hydrogen-free and hydrogen-doped NiTi alloys // Acta Mater. 2007. V. 55, Is. 13. P. 4243 – 4252. DOI: 10.1016/j.actamat.2007.03.020

Coluzzi B., Biscarini A., Mazzolai G. et al. Effect of H-doping on damping capacity of various Ni – Ti-based alloys at kHz frequencies // J. Eng. Mater. Technol. 2006. V. 128, Is. 3. P. 254 – 259. DOI: 10.1115/1.2203202

Coluzzi B., Biscarini A., Mazzolai G. et al. Damping properties of vacuum annealed and H-doped NiTi based alloys at low stress amplitudes // KEM. 2006. V. 319. P. 1 – 8. DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.319.1

Sapozhnikov K., Serra J. T., Cesari E. et al. Effect of hydrogen on the elastic and anelastic properties of the R phase in Ti50Ni46.1Fe3.9 alloy // Metals. 2017. V. 7, Is. 11. P. 493 – 500. DOI: 10.3390/met7110493

Jin M., Song Y., Wang X. et al. Ultrahigh damping capacity achieved by modulating R phase in Ti49.2Ni50.8 shape memory alloy wires // Scr. Mater. 2020. V. 183, Is. 1. P. 102 – 106. DOI: 10.1016/j.scriptamat.2020.03.017

Song Y., Jin M., Han X. et al. Microstructural origin of ultrahigh damping capacity in Ni50.8Ti49.2 alloy containing nanodomains induced by insufficient annealing and low-temperature aging // Acta Mater. 2021. V. 205. 116541. DOI: 10.1016/j.actamat.2020.116541

Yokoyama K., Hamada K., Moriyama K., Asaoka K. Degradation and fracture of Ni – Ti superelastic wire in an oralcavity // Biomater. 2001. V. 22, Is. 16. P. 2257 – 2262. DOI: 10.1016/s0142-9612(00)00414-2

Yokoyama K., Ogawa T., Asaoka K. et al. Degradation of tensile strength of Ni – Ti superelastic alloy due to hydrogen absorption in methanol solution containing hydrochloric acid // Mater. Sci. Eng. A. 2003. V. 360, Is. 1 – 2. P. 153 – 159. DOI: 10.1016/S0921-5093(03)00403-9

Pelton B. L., Slater T., Pelton A. R. Effects of hydrogen in TiNi // In: SMST-1997. Proceedings of the international conference on shape memory and superelastic technologies. Pacific Grove. 1997. P. 395 – 400.

Gamaoun F., Skhiri I., Bouraoui T., Ben Zineb T. Hydrogen effect on the austenite–martensite transformation of the cycled Ni – Ti alloy // J. Intell. Mater. Syst. Struct. 2014. V. 25, Is. 8. P. 980 – 988. DOI: 10.1177/1045389X13502868

Asaoka K., Yokoyama K., Nagumo M. Hydrogen embrittlement of nickel-titanium alloy in biological environment // Metall. Mater. Trans. A. 2002. V. 33, Is. 3. P. 495 – 501. DOI: 10.1007/s11661-002-0111-8

Yamaura Sh., Hasegawa M., Kimura H., Inoue A. Effects of hydrogen on the mechanical properties of Ti50Ni25Cu25 metallic glass // Mater. Trans. 2002. V. 43, Is. 10. P. 2543 – 2547. DOI: 10.2320/matertrans.43.2543

Спивак Л. В., Скрябина Н. Е., Фрушар Д., Шеляков А. В. Влияние водорода на кристаллизацию аморфного сплава Тi50Ni25Cu25 // Письма в ЖТФ. 2004. Т. 30, Вып. 19. С. 1 – 6.

Спивак Л. В., Куликова М. А. (Дышлюк М. А.), Шеляков А. В. Общие закономерности влияния водорода на процессы кристаллизации аморфных сплавов на базе системы TiNiCu // Вестник пермского университета. Физика. 2012. № 2. С. 69 – 71.

Скрябина Н. Е., Спивак Л. В., Шеляков А. В. Влияние водорода на модуль сдвига квазибинарных сплавов системы TiNi – TiCu // Письма в ЖТФ. 2004. Т. 30, Вып. 19. С. 45 – 49.

Спивак Л. В., Шеляков А. В., Малинина Л. Н. Особенности процесса кристаллизации содержащих водород аморфных сплавов на базе системы Ti – Ni – TiCu // Вестник пермского университета. Серия: Физика. 2010. Т. 38, № 1. С. 102 – 105.

Спивак Л. В., Шеляков А. В. Процессы кристаллизации в содержащих водород аморфных сплавах на базе систем TiNiCuHf // Вестник пермского университета. Серия: Физика. 2010. Т. 38, № 1. С. 107 – 110.

Спивак Л. В., Куликова М. А. (Дышлюк М. А.), Шеляков А. В. Калориметрические эффекты при кристаллизации содержащих водород быстрозакаленных сплавов системы TiNiCuHf // Альтернативная энергетика и экология. 2011. № 7. С. 43 – 46.

Спивак Л. В., Шеляков А. В., Щепинина Н. Е. Общие закономерности влияния водорода на процессы кристаллизации аморфных сплавов на базе системы TiNi – TiCu // ЖТФ. 2014. Т. 84, № 2. С. 52 – 56.

Спивак Л. В., Щепинина Н. Е. Калориметрические эффекты при структурно-фазовых превращениях в металлах и сплавах // ФММ. 2020. Т. 121, № 10. С. 1059 – 1087. DOI: 10.31857/S0015323020100113

Mizubayashi H., Murayama S., Tanimoto H. Feasibility study of high-strength and high-damping materials by means of hydrogen internal friction in amorphous alloys // J. Alloys Compd. 2002. V. 330 – 332, Is. 17. P. 389 – 392. DOI: 10.1016/S0925-8388(01)01529-8




DOI: https://doi.org/10.30906/mitom.2026.4.3-13

© Издательский дом «Фолиум», 1998–2026