Preview

Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE)

Расширенный поиск
Доступ открыт Открытый доступ  Доступ закрыт Доступ платный или только для Подписчиков

Математическая модель водородной проницаемости металлов с примесными ловушками при наличии внутренних напряжений различной физической природы

https://doi.org/10.15518/isjaee.2019.19-21.029-044

Полный текст:

Аннотация

Взаимодействие водорода с металлами является определяющим процессом, как минимум, двух направлений научных исследований: водородной энергетики и разработки эффективных покрытий с целью удержания атомов водорода в приповерхностном слое элементов конструкций различного назначения. Показан процесс создания физико-математической модели водородной проницаемости электрохимических сплавов, синтезированных методом электролиза, в зависимости от уровня, знака и характера распределения внутренних напряжений. Проанализированы причины возникновения, характер и уровни внутренних напряжений различной физической природы. Продемонстрированы диффузионные потоки через внешнюю поверхность полого цилиндра в зависимости от знака внутренних напряжений. Диффузия атомов водорода через цилиндрическую оболочку с примесными ловушками описана нестационарным уравнением при соответствующих начальном и граничном условиях. Выбор подобной модельной системы обусловлен тем, что цилиндрические оболочки являются наиболее распространенными элементами конструкций, а усложнение математической модели не привело бы к изменению качественной картины поля концентрации атомов водорода. Для полей концентрации атомов водорода использовались соответствующие аналитические зависимости, которые являются основанием для математического моделирования диффузионных процессов и демонстрируют возможность управления водородной проницаемостью металлов. Показано, что водородная проницаемость полого цилиндра в первую очередь зависит от уровня и характера распределения внутренних напряжений (растягивающих и сжимающих). Внутренние напряжения с логарифмической зависимостью от координат имеют единое математическое описание, а использование принципа суперпозиции позволяет отобразить картину совместных взаимодействий полей внутренних напряжений различного происхождения. При описании диффузионных потоков применялись 2 подхода. При первом подходе математическая интерпретация внутренних напряжений в кристаллах сводится к введению некоторых безразмерных параметров, которые легко вычисляются и алгебраически суммируются. Это позволяет на модели продемонстрировать возможность параметрического управления внутренними напряжениями в сплавах. Второй подход позволяет описать математическую модель диффузионного процесса атомов водорода в среде с образованием и распадом неподвижных комплексов «металл − примесь − водород» с учетом вероятности их образования и распада.

Об авторе

А. В. Звягинцева
Воронежский государственный технический университет
Россия
канд. техн. наук, доцент кафедры химии


Список литературы

1. Johnson, W.D. On Some Remarkable Changes Produced in Iron and Steel by the Action of Hydrogen and Acids / W.D. Johnson // Proc. R. Soc. London. – 1875. – Vol. 23. – P. 168–179.

2. Галактионова, Н.А. Водород в металлах / Н.А. Галактионова. – М.: Металлургия, 1967.– 303 с.

3. Гельд, П.В. Водород и физические свойства металлов и сплавов. Гидриды переходных металлов / П.В. Гельд, Р.А. Рябов, Л.П. Мохрачева. – М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1985. –232 с.

4. Новиков, И.И. Дефекты кристаллического строения металлов / И.И. Новиков. – М.: Металлурия, 1975.– 208 с.

5. Евстигнеев, В.В. Радиационная стойкость конструкционных материалов ядерно-энергетических установок / В.В. Евстигнеев [и др.] // Ползуновский вестник. – 2004. – № 1. – С. 29–35.

6. Fakioglu, E. A review of hydrogen systems based on boron and its compounds / E. Fakioglu, Y. Yurum, T. Veziroglu // Int. J. Hydrogen Energy. – 2004. – Vol. 29. –P. 1371–1376.

7. Базиле, А. Исследования института мембранных технологий. Национальный научный центр Италии (itm-cnr) по получению водорода в мембранных реакторах / А. Базиле, Ф. Галлуччи, А. Юллианелли // Информационно-аналитический журнал. Серия. Критические технологии. Мембраны. – 2007. – № 2 (34). – С. 3–21.

8. Ажажа, В.М. Материалы для хранения водорода: анализ тенденций развития на основе данных об информационных потоках / В.М. Ажажа [и др.] // Вопросы атомной науки и техники.– 2006. – № 1. Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (15). – С. 145–152

9. Oudriss, A. Grain size and grain-boundary effects on diffusion and trapping of hydrogen in pure nickel / A. Oudriss [et al.] // Acta Materialia. – 2012. – No. 60. – P. 6814–6828.

10. Судзуки, К. Аморфные металлы / К. Судзуки, Х. Фудзимори, К. Хасимото. – М.: Металлургия, 1987. – 328 с.

11. Алефельд, Г. Водород в металлах. Т. 1. Основные свойства / Г. Алефельд, И. Фѐлькль. – М.: Мир, 1981. – 476 с.

12. Алефельд, Г. Водород в металлах. Т. 2. Прикладные аспекты / Г. Алефельд, И. Фѐлькль. – М.: Мир, 1978. – 430 с.

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

14. Белоглазов, Г.С. Защита от коррозии и наводороживания стали органическими ингибиторами: экспериментальные и квантово-химические исследования / Г.С. Белоглазов, С.М. Белоглазов // Вестник балтийского федерального университета им. И. Канта. – 2013. – Вып. 1. – С. 30–38.

15. Гольцова, М.В. Водородная обработка материалов: история развития и перспективы / М.В. Гольцова // Наука – образованию, производству, экономике: материалы 14-й Международной научно-технической конференции. – Минск: БНТУ, 2016. – Т. 1. – С. 364–366.

16. Гапонцев А.В., Кондратьев В.В. Диффузия водорода в неупорядоченных металлах и сплавах / А.В. Гапонцев, В.В. Кондратьев // Успехи физических наук. – 2003. – Т. 173. – № 10. – С. 1107–1129.

17. Власов Н.М., Челяпина О.И. Параметры управления диффузионной кинетикой в цилиндрических оболочках // Известия РАН. Серия физическая. – 2015. – Т. 79. – № 9. – С. 1225–1229.

18. Драгунов, Ю.Г. Самоуравновешенные внутренние напряжения / Драгунов Ю.Г. [и др.]. – М.: Изд-во МГОУ, 2010. – 391 с.

19. Власов, Н.М. Математическое моделирование водородной проницаемости металлов / Н.М. Власов, А.В. Звягинцева. – Монография. Воронеж: Изд-во ВГТУ, 2012. – 247 с.

20. Власов, Н.М. Водородная проницаемость металлов при наличии внутренних напряжений / Н.М. Власов, И.И. Федик // Тяжелое машиностроение. – 2007. – № 3. – С. 15–18.

21. Кудинов, Г.М. Влияние структурных дефектов на диффузию примесей внедрения в металлах/ Г.М. Кудинов, Б.Я. Любов // ФММ. – 1981. – Т. 51. – № 6. – С. 1297–1300.

22. Кухтин, Б.А. Идентификация модели водородопроницаемости металлов / Б.А. Кухтин, И.О. Магазин // Изв. вузов. Химия и хим. технология. – 2006. – Т. 49. – Вып. 8. – С. 117–118.

23. Lewis, F.A. Solubility of hydrogen in metals / F.A. Lewis // Pure & Appl. Chern. – 1990. – Vol. 62. – No. 11. – P. 2091–2096.

24. Любов, Б.Я. Диффузионные изменения дефектной структуры твердых тел / Б.Я. Любов. – М.: «Металлургия», 1985. – 202 с.

25. Малкович, Р.Ш. Диффузия в твердом теле с образованием и распадом неподвижных комплексов / Р.Ш. Малкович // Письма в ЖТФ. – 2003. – Т. 29. –№ 10. – С. 54–61.

26. Теодосиу, К. Упругие модели дефектов в кристаллах / Пер. с англ. под ред. В.Л. Инденбома. – К. Теодосиу. – М.: Мир, 1985. – 352 с.

27. Андриевский, Р.А. Материаловедение гидридов / Р.А. Андриевский. – М.: «Металлургия», 1986. – 129 с.

28. Калабухова, Н.А. Исследование абсорбции и диффузии водорода в ГЦК металлах методом молекулярной динамики: диссертация на соискание учѐной степени кандидата физико-математических наук 01.04.07 – Барнаул, 2014. – 129 с.

29. Любов, Б.Я. Диффузионные процессы в неоднородны твѐрдых средах / Б.Я. Любов. – М.: «Наука», Главная редакция физико-математической литературы, 1981. – 296 с.

30. Материалы международного научного семинара «Нелинейные модели в механике, статистике, теории поля и космологии – GRACOS-16» // Лекции, школы и материалы семинара / Под общей редакцией проф. Ю.Г. Игнатьева. – Казань: Изд-во Академии наук РТ, 2016. – С. 245–251.

31. Zvyagintseva A.V. On the Stability of Defects in the Structure of Electrochemical Coatings / A.V. Zvyagintseva, Yu.N. Shalimov (eds.) // Surface Engineering and Applied Electrochemistry. – 2014. – Vol. 50. – No. 6. – P. 466–477.

32. Звягинцева, А.В. Структурные ловушки в электрохимических никелевых системах для водородных атомов / А.В. Звягинцева // Наноразмерные системы: строение, свойства, технологии (НАНСИС– 2013): Тезисы IV Междунар. науч. конф. Киев, 19–22 ноября 2013 г. – C. 27.

33. Лихачѐв, В.А. Введение в теорию дислокаций / В.А. Лихачѐв, Р.Ю. Хайров. – Л.: Изд-во Ленинградского университета, 1975. – 184 с.

34. Звягинцева, А.В. Определение водородной емкости структурных дефектов / Звягинцева А.В.// Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2015. – № 21 (185). – С. 145–149.

35. Малкович, Р.Ш. Диффузия в твѐрдом теле с образованием и распадом неподвижных комплексов / Р.Ш. Малкович // Письма в ЖТФ, 2003. – Т. 29. – Вып. 10. – С. 54–61.

36. Писарев, А.А. Проницаемость водорода через металлы: учебное пособие / А.А. Писарев [и др.]. – М.: МИФИ, 2008. – 144 с.


Для цитирования:


Звягинцева А.В. Математическая модель водородной проницаемости металлов с примесными ловушками при наличии внутренних напряжений различной физической природы. Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). 2019;(19-21):29-44. https://doi.org/10.15518/isjaee.2019.19-21.029-044

For citation:


Zvyagintseva A.V. Mathematical Model of Hydrogen Permeability of Metals with Impurities Traps in the Presence of Internal Stresses of Various Physical Nature. Alternative Energy and Ecology (ISJAEE). 2019;(19-21):29-44. (In Russ.) https://doi.org/10.15518/isjaee.2019.19-21.029-044

Просмотров: 212


ISSN 1608-8298 (Print)