Университет Сиднея построил 3D-карты дейтерия в металлических сплавах методом cryo-APT

Исследователи из Университета Сиднея построили трёхмерные карты водорода, растворённого в структуре металлических сплавов, сообщает spidersweb.pl. Международная группа под руководством профессора Джули Кэрни опубликовала результаты 4 ноября в журнале Nature. spidersweb.plspidersweb.plspidersweb.plОткрыть источник ↗ Метод сочетает атомно-зондовый анализ с использованием дейтерия, более тяжёлого изотопа водорода.

Почему водород в металле трудно найти

Водород — самый лёгкий элемент. Отдельные его атомы проникают во многие металлы, перемещаются по кристаллической решётке и скапливаются в определённых местах. Это может вызывать водородное охрупчивание: металл, который должен выдерживать большую нагрузку, становится более склонным к растрескиванию, иногда без заметных заранее признаков повреждения.

Внутри металла водород может образовывать гидриды, собираться у дефектов кристаллической структуры или растворяться прямо в атомной решётке, в междоузельных позициях между соседними атомами. Последний случай оставался наименее изученным. Прямое измерение затруднено: у водорода очень малая масса, он может уходить из образца при подготовке, а измерительная аппаратура может содержать следовые количества водорода, которые трудно отличить от собственного водорода образца.

Cryo-APT и дейтерий

Ядро дейтерия содержит протон и нейтрон, поэтому его проще опознать при измерениях. Специально подготовленные образцы сплавов насытили дейтерием и быстро охладили в жидком азоте, чтобы ограничить движение атомов и их уход из материала. Затем применили криогенную атомно-зондовую томографию (cryo-APT). spidersweb.plspidersweb.plspidersweb.plОткрыть источник ↗ С поверхности заострённого образца поочерёдно удаляют атомы, а по массе, времени пролёта и положению образующихся ионов восстанавливают состав. Поэтому изображение — это компьютерная реконструкция, а не прямой снимок атома.

В сплавах с никелем, кобальтом, хромом, алюминием и титаном в металлической матрице находились небольшие упорядоченные области другого состава. Дейтерий накапливался в них заметно охотнее, чем в окружающем материале, особенно в выделениях фазы L1₂, состоящей в основном из никеля, алюминия и титана. В никелевом суперсплаве Inconel 718 дейтерий концентрировался главным образом в одной из исследованных фаз, а в другой его концентрация оставалась значительно ниже.

Результаты сопоставили с электронной микроскопией, дополнительными измерениями дефектов и теоретическими расчётами. Все методы указывали, что наблюдаемое распределение дейтерия соответствует в первую очередь его положению в междоузлиях. Авторы отмечают, что небольшой вклад трудно обнаруживаемых дефектов исключить полностью нельзя.

Чего исследование не показывает

Работа пока не представляет сплав, устойчивый ко всем эффектам водорода. Она не доказывает и того, что ограничение накопления в определённых местах само по себе предотвратит растрескивание. spidersweb.plspidersweb.plspidersweb.plОткрыть источник ↗ Следующая задача группы — проверить, как наблюдаемое распределение водорода влияет на деформацию материалов под нагрузкой. Исследователи уже применяют эти методы к сверхпрочным сталям.