Page 77 - Zmist-n4-2015

Ô³çèêî-õ³ì³÷íà ìåõàí³êà ìàòåð³àë³â. – 2015. – ¹ 4. – Physicochemical Mechanics of Materials

УДК 539.3
ОЦІНЮВАННЯ НАПРУЖЕНЬ, ОБУМОВЛЕНИХ
КОНЦЕНТРАЦІЄЮ ВОДНЮ У МЕТАЛІ

М. Г. СТАЩУК, М. І. ДОРОШ
Фізико-механічний інститут ім. Г. В. Карпенка НАН України, Львів
З позицій теорії пружності сформульовано систему основних ключових рівнянь для
визначення компонент напружень у металі, спричинених воднем. Основні рівняння
записані для порожнистого циліндричного тіла та одержано відповідні розрахункові
співвідношення. Обчислено компоненти тензора напружень, індукованих воднем у
такому циліндрі.
Ключові слова: напружено-деформований стан, водень, концентрація водню, по-
рожнистий металевий циліндр.
Проблема водню в металах в останні десятиріччя знаходиться у центрі уваги
багатьох дослідників. Це пов’язано з його застосуванням у сучасних технологіях
під час проектування деталей машин, конструкцій, споруд, а також створення ма-
теріалів, які експлуатуються в умовах взаємодії з воденьвмісними середовищами
чи безпосередньо контактують з ним.
Впроваджені у метали атоми водню розширюють їх кристалічну ґратку [1–3],
зокрема, відомі експериментальні результати про її розширення під час розчи-
нення водню у ніобії [4], алюмінії [5] та паладієвих сплавах [6].
За наводнювання або розводнювання металів, а також під впливом напруже-
ного стану виникають концентраційні неоднорідності розподілу водню, які неза-
лежно від причин появи зумовлюють внутрішні водневі напруження [1]. Тому
необхідно їх враховувати в сучасних технологічних розробках, де першочергови-
ми є розрахунки індукованих воднем напружень, характерних для термоядерних
реакторів, газо- та нафтопроводів, різноманітних фільтрів та низки апаратів наф-
тохімічного виробництва. Отже, нехтувати поля водневих напружень, вивчаючи
вплив водню на поведінку матеріалів, не варто. Частково такі дослідження уже
виконували [1, 7, 8]. Однак приділяли увагу тільки односторонньому впливу ме-
ханічних напружень на розподіл концентрації водню [9–11]. Біля концентраторів
напружень вивчали [7, 8] взаємовплив концентрації водню та напружено-дефор-
мованого стану (НДС) із залученням лише гідростатичного тиску. Ці результати
початкові та відіграють відповідну роль у розвитку водневої пружності матеріа-
лів. Однак до сьогодні задача про визначення усіх компонент напружень та пере-
міщень у металі від водню не вивчена. Тому, щоб вдосконалити такі розробки,
слід дослідити НДС, обумовлений концентрацією водню в металах. Для вивчення
впливу водню на метали необхідно оцінити поле напружень, спричинене дифун-
дованими атомами водню. Цьому і присвячується це повідомлення. Розв’язання
такої задачі дасть можливість уточнити відомі методи та підходи до оцінки на-
дійності та довговічності наводнених матеріалів, або таких, що є основами кон-
струкцій, які контактують з воденьвмісними середовищами.
Формулювання задачі та основні ключові рівняння. Розглянемо пружно-
деформоване металеве тіло, під час наводнювання якого до деякої концентрації

Контактна особа: М. Г. СТАЩУК, e-mail: stashchuk@ipm.lviv.ua
76