Как ведёт себя водород в алюминиевых сплавах

Благодаря низкой плотности, высокой прочности и распространённости алюминий и его сплавы широко используются, например, в различных строительных конструкциях, бытовой электронике и транспортных средствах, включая автомобили, корабли, поезда и самолёты. Однако алюминиевые сплавы имеют тенденцию к водородному охрупчиванию, которое приводит к катастрофическим отказам во время эксплуатации, если проблему не заметить достаточно рано. В отличие от стали, поведение водорода в алюминии недостаточно изучено.

Учёные из немецкого Института исследований железа Макса Планка (Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH - MPIE) проанализировали влияние водорода на прочность алюминиевых сплавов, и определили первые способы препятствования эффекту водородного охрупчивания. Свои последние результаты учёные опубликовали в журнале Nature.

Границы зёрен играют важную роль в эффекте охрупчивания. Поскольку водород – самый маленький из всех элементов и обладает низкой способностью к растворению в алюминии, чрезвычайно сложно обнаружить его на атомном уровне. Проникает ли он и в каком количестве в алюминий? Где он локализуется внутри микроструктуры и как влияет на свойства алюминия? Все эти вопросы до настоящего времени оставались без ответа.

В своих исследованиях учёные из Института MPIE использовали так называемый алюминий 7xxx, представляющий класс высокопрочного алюминия, который является основным материалом для конструкционных компонентов при строительстве самолетов. Они насытили свои образцы сплава водородом и провели испытания на растяжение, результаты которого показали, что пластичность уменьшается с увеличением количества водорода. При исследовании поверхности разрушения было обнаружено, что трещины в основном распространялись вдоль границ зерен. С помощью атомно-зондовой томографии с криопереносом атомов ученые обнаружили, что водород собирается вдоль этих границ зерен.

Однако водород охрупчивает материал только на границах зерен. Эксперименты показали, что количество водорода в частицах, находящихся внутри объёма материала, намного выше, чем на границах зерен. С помощью компьютерного моделирования учёные смогли увидеть, что водород притягивается областями высокой энергии вдоль границ зерен, вызывая разрушение материала, и что частицы в объёме материала действуют скорее как ловушки для водорода, которые препятствуют распространению трещин.

Интерметаллические частицы могли бы стать первым решением. Исследователи из Института MPIE смогли показать, где водород локализуется после проникновения во время переработки материала или в процессе его эксплуатации. Поскольку это невозможно предотвратить, важно контролировать захват и перемещение водорода.

Учёные рекомендовали различные стратегии предотвращения водородного охрупчивания, в частности, за счёт использования интерметаллических частиц, которые могут задерживать водород внутри объёма материала. Кроме того, контроль уровня магния на границах зерен представляется критически важным. Магний в паре с водородом на границах зерен увеличивает охрупчивание. В то же время необходимо правильно манипулировать с размером и объёмной долей частиц в объёме материала, сохраняя при этом прочность материала. Дальнейшие исследования с целью определения «идеального» распределения частиц и устранения локализации магния на границах зёрен обеспечат разработку устойчивых к водороду сплавов повышенной прочности.

Исследования частично финансировались за счёт консолидирующего гранта “Shine” Европейского исследовательского совета (European Research Council). Проект возглавляет профессор Батист Голт (Baptiste Gault), руководитель группы исследователей из Института MPIE и соавтор недавней публикации.

Фото: © MPIE