Вісник НАН України. 2015. № 2. С. 63-68.

ТЕУС  Сергій Миронович –
кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник
Інституту металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України 

ЕЛЕКТРОННА КОНЦЕПЦІЯ ВОДНЕВОЇ КРИХКОСТІ МЕТАЛІВ 
За матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України
10 грудня 2014 р.

За допомогою розрахунків із перших принципів та експериментальних методик досліджено особливості впливу водню на фізико-механічні властивості матеріалів. Показано, що теорія підсиленої воднем локалізованої пластичності адекватно описує явище водневої крихкості металів. Однак її інтерпретація в рамках механіки суцільних середовищ переоцінює значення індукованого воднем екранування пружної взаємодії між дислокаціями, а також не враховує вплив водню на електронну структуру. З огляду на зазначені особливості, запропоновано електронну концепцію водневої крихкості, згідно з якою причиною індукованого воднем знеміцнення є його вплив на електронну структуру матеріалу і, як наслідок, пружні модулі. На основі електронної концепції розроблено практичні рекомендації для підвищення водневої стійкості аустенітних сталей.

Ключові слова: воднева крихкість, електронна структура, аустенітна сталь, розрахунки з перших принципів.

Роль водню в нашому житті зростає з кожним днем. Основними причинами того, що воднева енергетика поступово стає одним із пріоритетних напрямів науково-технічного прогресу, є наближення світової енергетичної кризи, пов’язане з обмеженістю запасів традиційних викопних енергоносіїв, та погіршення екологічної ситуації, зумовлене збільшенням шкідливих викидів від спалювання вуглеводнів. Усе це стимулює пошук нових екологічно чистих джерел енергії. Водневі технології застосовують у найрізноманітніших галузях промисловості, починаючи від виробництва компактних джерел живлення і аж до будівництва надсучасних електростанцій. Крім того, водневі технології активно впроваджуються в автомобілебудування з метою подолання проблеми забруднення навколишнього середовища.

Сьогодні розвиток водневої енергетики стримується невирішеністю багатьох проблем, однією з яких є проблема зберігання й транспортування водню. Вона пов’язана з явищем водневого окрихчення, що виявляється у передчасному руйнуванні матеріалів. Аналіз великої кількості конструкційних матеріалів свідчить про те, що найперспективнішими для потреб водневої енергетики є аустенітні сталі – сплави на основі заліза з гранецентрованою кубічною ґраткою, які оптимізують додаванням інших хімічних елементів. Аустенітні сталі мають значно менший ступінь окрихчення порівняно, наприклад, з феритними сталями, а також відносно високу корозійну стійкість.

Перші дослідження водневої крихкості проводили лише за допомогою аналізу залежності величини крихкості від механічних характеристик матеріалів. Так, на рис. 1 наведено результати дослідження, під час якого було виконано 465 вимірювань на 34 типах сталей. Як можна бачити, кореляції між цими величинами немає, тобто характеристика міцності сталі не відіграє вирішальної ролі у водневій крихкості. Цей висновок спонукав дослідників до подальших пошуків механізмів водневого окрихчення. Повний текст (PDF).