BEHAVIOUR OF Fe-Ni-C ALLOY DOPED WITH HYDROGEN IN THE PHASE

1 . I n t r o d u c t i o n . The i n f L u e n c e o f c a r b o n c o n t e n t and t i m e r e l a t e d par a m e t e r s on t h e i n t e r n a l f r i c t i o n b e h a v i o u r ( b e t w e e n room t e m p e r a t u r e and 77 K) o f Fe-Ni-C a l l o y s w i t h s u b z e r o M s t e m p c i a t u r e h a s a l r e a d y been s t u d i e d i n t h e 100 H z f r e q u e n c y r a n g e ( C a r r a r d and c o w o r k e r s , 1977) and i n t h e 1 H z f r e q u e n c y r a n g e ( P r i o u l and C a r r a r d , 1 9 7 9 ) . E v e n t h o u g h some a s p e c t s a r e s t i l l d i s c u s s e d ( P r i o u l and C a r r a r d , 1981) t h e p h y s i c a l i n t e r p r e t a t i o n of t h e i n t e r n a l f r i c t i o n b e h a v i o u r o b s e r v e d i n t h e (77-300) K t e m p e r a t u r e r a n g e c a n now be c o n s i d e r e d a s w e l l 2 s t a b l i s h e d . From t h i s knowledge we f o c u s s e d o u r a t t e n t i o n on t h e i n t e r n a l f r i c t i o n behaviour o f h y d r o g e n c h a r g e d Fe-Ni-C a l l o y s ( i n t h e y p h a s e ) , i n o r d e r t o h a v e a b e t t e r u n d e r s t a n d i n g o f t h e e f f e c t o f h y d r o g e n f r o m b o t h t e c h n i c a l and a c a d e m i c p o i n t s o f v i e w . I n t e r n a l f r i c t i o n b e h a v i o u r o f Fe-Ni and Fe-Ni-C a l l o y s doped w i t h h y d r o p e n h a v e n e v e r b e e n s t u d i e d a s f a r a s we know. N e v e r t h e l e s s s e v e r a l p a p e r s h a v e b e e n p u b l i s h e d u s i n g o t h e r e x p e r i m e n t a l m e t h o d s . Thus , f rom room t e m p e r a t u r e e l e c t r o c h e m i c a l e x p e r i m e n t s Beck a n d cow o r k e r s ( 1 9 7 1 ) h a v e d e t e r m i n e d t h a t t h e d i f f u s i o n c o e f f i c i e n t D f a l l s f rom a b o u t 1 0 ~ c r n ~ / s f o r p u r e i r o n t o a b o u t 1 0 ~ ~ c m ~ / s f o r Fe-40% N i ( i n w e i g h t ) . T h o s e v a l u e s r e s e ~ b l e c l o s e l y t h e r e s u l t s o f D r e s l e r and F r o h b e r g ( 1 9 7 3 ) f o r a Fe-30% N i ( 5 . 1 0 ~ c m ~ / s a t 58OC) and t h e v a l u e s g i v e n i n t h e l i t t e r a t u r e f o r N i ( C o m b e t t e and Azou, 1 9 7 0 ) . The s o l u b i l i t y c r i s e s by a b o u t l o 3 b e t w e e n p u r e i r o n and Fe-40% N i (Beck and c o w o r k e r s , 1 9 7 1 ) , t h e n r e m a i n s c o n s t a n t up t o p u r e n i c k e l . Between 0 and 30-40% N i t h e d o m i n a n t f a c t o r w h i c h c o n t r o l s t h e v a l u e of D and c i s t h e f a l l of t h e mole f r a c t i o n of t h e a ( b . c . c . ) p h a s e i n t h e a l l o y c o u n t e r b a l a n c e d by t h e r i s e of t h e y ( f . c . c . ) p h a s e . Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1981529 C5188 JOURNAL DE PHYSIQUE S i n c e i t i s m o r e s o l u b l e i n a u s t e n i t e t h a n i n m a r t e n s i t e h y d r o g e n i s a l s o e x p e c t e d t o i n c r e a s e t h e t h e r m o d y n a m i c s t a b i l i t y o f a u s t e n i t e . A c c o r d i n g t o M a u l i k a n d B u r k e ( 1 9 7 5 ) n o s i g n i f i c a n t e f f e c t on t h e Y s t e m p e r a t u r e o f Fe-Ni a l l o y i s o b s e r v e d a f t e r room t e m p e r a t u r e c a t h o d i c c h a r g i n g e v e n i n t h e p r e s e n c e o f p o i s o n ( NaAs02) . T h i s r e s u l t d o e s n o t a g r e e w i t h o b s e r v a t i o n s o f R a m a c h a n d r a n a n d D a s a r a t h y ( 1 9 6 1 ) i n Fe-C b a s e s t e e l s a n d w i t h t h e r e s u l t s o f A b d e l h a d i ( 1 9 7 6 ) on Fe-Ni-C a l l o y s . On t h e o t h e r h a n d , c a t h o d i c c h a r g i n g ( b e l o w t h e Md t e m p e r a t u r e ) o f a n a u s t e n i t i c s t r u c t u r e c a n p r o d u c e l a r g e a m o u n t s o f a m a r t e n s i t e i n Fe -Ni ( M a u l i k a n d B u r k e , 19753 a n d i n Fe-Ni-C a l l o y s ( A b d e l h a d i , 1 9 7 6 ) . T h e p h a s e t r a n s f o r m a t i o n o c c u r i n g d u r i n g c a t h o d i c h y d r o g e n c h a r g i n g a t room t e m p e r a t u r e i s p r o b a b l y V ' s t r a i n i n d u c e d " . I n t h a t c a s e t h e s t r a i n i s i n d u c e d b y t h e d e f o r m a t i o n r e s u l t i n g f r o m t h e i n t r o d u c t i o n o f t h e g a s u n d e r c o n d i t i o n s o f h i g h s u r f a c e s u p e r s a t u r a t i o n a n d low d i f f u s i v i t y . T h i s b r i e f r e v i e w o f c u r r e n t k n o w l e d g e a b o u t t h e e f f e c t of hydrogen o n t h e b e h a v i o u r o f Fe-Ni a n d Fe-Ni-C a l l o y s s h o w s t h e c o m p l e x i t y o f t h e p h e n o m e n a when h y d r o g e n i s p r e s e n t . A l s o i t a p p e a r s t h a t h y d r o g e n c h a r g i n g m u s t b e c a r r i e d o u t a t t e m p e r a t u r e s a s h i g h a s p o s s i b l e , b u t a v o i d i n g s u c h p h e n o m e n a a s g r a p h i t i s a t i o n ( C a r r a r d a n d c o w o r k e r s , l 9 7 3 j a n d d e c a r b u r i s a t i o n . We s h a l l p r e s e n t t h i s s t u d y i n two p a r t s . I n t h e f i r s t p a r t we s h a l l p r e s e n t m e t h o d s a n d r e s u l t s c o n n e c t e d w i t h h y d r o g e n c h a r g i n g . T h e s e c o n d p a r t i s c o n c e r n e d w i t h a q u a l i t a t i v e a n a l y s i s o f h y d r o g e n e f f e c t s o n i n t e r n a l f r i c t i o n b e h a v i o u r . 2 . M a t e r i a l . Two Fe-Ni-C a l l o y s w e r e u s e d f o r t h i s s tudy .The t reatment o f t h e s p e c i m e n s was t h e same a s t h e o n e d e s c r i b e d by P r i o u l a n d C a r r a r d ( 1 9 8 1 3 a n d l e a d s t o a n e n t i r e l y y s t r u c t u r e a t room t e m p e r a t u r e . T h e a l l o y s u s e d f o r h y d r o g e n c h a r g i n g , a b r e v i a t e d t o A ( 0 . 3 4 % C ; 2 7 . 2 1 % N i ; 0 . 5 3 % Mn ; 0 . 3 8 % S i ; 0 .020X P i n w e i g h t ) a n d f o r i n t e r n a l f r i c t i o n e x p e r i m e n t s , a b r e v i a t e d t o B ( 0 . 4 1 % C ; 2 4 . 2 0 % N i ; 0 . 2 7 % Mn ; 0 . 3 3 % S i ; 0 . 0 1 1 % P ) h a v e aMs t e m p e r a t u r e c l o s e t o 2 1 5 a n d 225 K f o r b o t h t h e A a n d B a l l o y s . 3 . H y d r o g e n c h a r g i n g . I n o r d e r t o a v o i d h y d r o g e n i n d u c e d p h a s e t r a n s f o r m a t i o n a n d m i c r o c r a c k i n g a s p o i n t e d o u t i n t h e f i r s t p a r t o f t h i s p a p e r , h y d r o g e n c h a r g i n g was c o n d u c t e d a t t e m p e r a t u r e s a b o v e room t e m p e r a t u r e . Ne u s e d a new m e t h o d d e s c r i b e d by Chene ( 1 9 7 7 ) w h i c h c o n s i s t s o f c a t h o d i c h y d r o g e n a t i o n i n h o t m o l t e n s a l t s . The e l e c t r o l y t e i s a e u t e c t i c m i x t u r e o f NaHS04-H20 ( 5 7 % ) a n d KHS04 (432 : w h i c h c a n b e u s e d b e t w e e n 3 9 8 a n d 5 2 3 K . T h e b a t h t e m p e r a t u r e i s t h e r m o s t a t i c a l l y c o n t r o l l e d b y a s e p a r a t e c i r c u i t o f o i l . The e l e c t r o l y t i c c e l l i s c l o s e d a n d s t e a m i s c o n d e n s e d i n t h e u p p e r p a r t i n o r d e r t o a v o i d a n d o v e r r a p i d d e h y d r a t i o n o f t h e m o l t e n s a l t s s o l u t i o n . The h y d r o g e n c h a r g i n g i s d o n e a t a c o n s t a n t p o t e n t i a l by u s i n g a t w o e l e c t r o d e s y s t e m . T h e p o t e n t i a l o f t h e s a m p l e i s m e a s u r e d w i t h r e f e r e n c e t o a n A ~ / A ~ + e l e c t r o d e s i t u a t e d n e a r t h e s a m p l e . The c u r r e n t n e c e s s a r y t o h o l d t h i s p o t e n t i a l a t a c o n s t a n t v a l u e i s c o n t r o l l e d b y a n e l e c t r o n i c p o t e n t i o s t a t t h r o u g h a n a u x i l i a r y e l e c t r o d e ( a c y l i n d e r o f P t n e t t i n g b e i n g p l a c e d r o u n d t h e s a m p l e ) . U n d e r t h e s e c o n d i t i o n s t h e a n o d i c a n d c a t h o d i c r e a c t i o n s a r e e q u i v a l e n t t o t h e e l e c t r o l y s i s o f t h e w a t e r i n t h e b a t h . D i f f e r e n t e l e c t r o c h e m i c a l c o n d i t i o n s w e r e t e s t e d ( c h a r g i n g p o t e n t i a l s f r o m 2 000 t o -800mV o f d u r a t i o n b e t w e e n 1 a n d 3 0 h , t h e t e m p e r a t u r e o f t h e b a t h b e i n g i n t h e ( 4 0 0 5 0 0 ) K r a n g e ) . A d e t a i l e d s t u d y o f t h e r e s u l t s o b t a i n e d w i l l b e p u b l i s h e d s u b s e q u e n t l y . N e v e r t h e l e s s i t i s i m p o r t a n t t o n o t i c e t h a t a f t e r h y d r o g e n c h a r g i n g u n d e r t h e s e c o n d i t i o n s : n o p h a s e t r a n s f o r m a t i o n w a s d e t e c t e d b y m e t a l l o g r a p h i c e x a m i n a t i o n : t h e M s t e m p e r a t u r e w a s l o w e r e d ; a n a v e r a g e g a s e s c o n t e n t i n t h e s a m p l e o f 5 t o 15 ppm ( i n w e i g h t ) w a s m e a s u r e d i n t h e y s t a t e by d e s o r p t i o n ( 1 . 4 x l 0 ~ ~ a s c a l , l 000 K). Masss p e c t r o m e t r y o f t h e d e s o r b e d g a s e s r e v e a l e d t h a t t h e s e g a s e s a r e m a i n l y h y d r o g e n ; o u t g a s i n g t h e a' s t r u c t u r e ( a f t e r q u e n c h i n g t h e y s t r u c t u r e a t 7 7 K) r e v e a l s a l o w e r h y d r o g e n c o n t e n t t h a n o u t g a s i n g t h e y s t r u c t u r e . 4 . I n t e r n a l f r i c t i o n b e h a v i o u r . I n t e r n a l f r i c t i o n a n d f r e q u e n c y meas u r e m e n t s w e r e p e r f o r m e d o n a n a u t o m a t i c i n v e r t e d t o r s i o n p e n d u l u m m a n u f a c t u r e d a t t h e l a b o r a t o r y a n d r e c e n t l y c o n n e c t e d t o a m i c r o c o m p u t e r ( P r i o u l a n d c o w o r k e r s , 1 9 8 1 ) . We u s e d c y l i n d r i c a l s p e c i m e n s ( d i a m e t e r 3 m m , u s e f u l l e n g t h 50mm) a n c h o r e d by t w o t h r e a d e d h e a d s ( d i a m e t e r 6mm, l e n g t h 15mm). A f t e r a n i n s i t u q u e n c h i n g t o 7 7 K ( c o o l i n g r a t e 1 . 5 K / m i n ) a n d a m a i n t e n a n c e f o r o n e h o u r a t 7 7 K, t h e m e a s u r e m e n t s w e r e p e r f o r m e d d u r i n g r e h e a t i n g ( h e a t i n g r a t e 1 . 5 K J m i n ) . T h e s t r a i n a m p l i t u d e d u r i n g m e a s u r e m e n t s w a s i e s s t h a n ~ ~ = 5 x 1 0 ~ a n d u n l e s s o t h e r w i s e s p e c i f i e d t e s t f r e q u e n c y w a s 1 . 5 Hz. H y d r o g e n c h a r g i n g o f a l l o y B u s e d f o r i n t e r n a l f r i c t i o n e x p e r i m e n t s , w a s made u n d e r t h e f o l l o w i n g c o n d i t i o n s : p o t e n t i a l -1 OOOmV, t e m p e r a t u r e 405K, d u r a t i o n 1 6 h . A f t e r s u c h i m p r e g n a t i o n t h e h y d r o g e n c o n t e n t was a b o u t 1 0 ppm. The s a m p l e s d o p e d w i t h h y d r o g e n w e r e h e l d f o r a b o u t h a l f on h o u r a t room t e m p e r a t u r e a f t e r c h a r g i n g . i n o r d e r t o s e t up t h e e x p e r i m e n t . C5190 JOURNAL DE PHYSIQUE I n f i g . 1 we i l l u s t r a t e t h e e f f e c t o f h y d r o g e n on i n t e r n a l f r i c 1 t i o n Q and r e l a t i v e f r e q u e n c y ( F F o ) / F o e v o l u t i o n s . T h e s e a r e p l o t t e d v e r s u s t e m p e r a t u r e d u r i n g t h e h e a t i n g o f t h e s a m p l e s f r o m t h e 77K r e c e n t l y q u e n c h e d s t a t e up t o 300K. Fo e q u a l s F(77K) m e a s u r e d a t t h e b e e i n n i n g o f e a c h e x p e r i m e n t . 288 TEMPERATURE (K) , , 3 A c o m p a r i s o n b e t w e e n h y d r o g e n c h a r g e d s p e c i m e n s ( c u r v e s I , ] ' ) 1 a n d h y d r o g e n f r e e s p e c i m e n s 2 ( c u r v e s 2 , 2 ' ) shows t h a t : a new i n t e r n a l f r i c t i o n p e a k ( c a l l e d @) p e a k j a p p e a r s a t 150K f o r a 1 . 4 Hz t e s t f r e q u e n c y i n h y d r o g e n c h a r g e d s p e c i m e n s . A f r e q u e n c y anomal y i s a s s o c i a t e d w i t h t h i s p e a k . t h e main maximum @) i s s h i f t e d f r o m 215 t o about: 205K i n t h e c a s e o f t h e h y d r o g e n c h a r g e d s p e c i m e n . The a m p l i t u d e of t h i s maximum r e u f m a i n s c o n s t a n t . a l l the i n t e r n a l f r i c t i o n c u r v e i s s h i f t e d t o w a r d s l o w e r t e m p e r a t u r e s . The e f f e c t of h y d r o g e n on t h e @ anomaly w i l l n o t b e d i s c u s s e d i n t h i s s t u d y . T h i s anomaly h a s b e e n c o r r e l a t e d t o a r e h e a t t r a n s f o r m a t i o n i n a p r e v i o u s p a p e r ( P r i o u l and c o w o r k e r s , 1 9 7 9 ) . A f i r s t h e a t i n g o f a h y d r o g e n a t e d s p e c i m e n ( F i g . 2 , c u r v e s 1 , l ' ) was s t o p p e d a t 170K and t h e s p e c i m e n was c o o l e d down t o 77K. A s e c o n d h e a t i n g of t h e same s p e c i m e n ( c u r v e s 2 , 2 ' ) i n d i c a t e s t h a t b o t h t h e @ peak and t h e c o r r e l a t e d f r e q u e n c y anomaly a r e s t i l l p r e s e n t ; o n l y p e a k h e i g h t i s r e d u c e d . A t h i r d h e a t i n g of t h e same h y d r o g e n a t e d s p e c i m e n , ( 1 ) i n t h i s p a p e r c u r v e s 1 , 2 , . . . a r e a s s i g n e d t o i n t e r n a l f r i c t i o n e v o l u t i o n s , w h e r e a s c u r v e s 1 ' , 2 ' , . . . a r e a s s i g n e d t o frequency evolutions. ( 2 ) f o r d e t a i l l e d s t u d i e s o f @ anomaly a n d @maximum s e e r e s p e c t i v e l y P r i o u l and C a r r a r d ( 1 9 7 9 ) .and P r i o u l and C a r r a r d ( 1 9 8 1 ) . c o n t i n u o u s h e a t i n g f r o m 77 t o 300K c u r v e s I , 1 ' c o r r e s p o n d i n g t o h y d r o 6 . . . . g e n a t e d s p e c i m e n c u r v e s 2 . 2 ' c o r r e s p o n d i n g t o h y d r o 5 _ -2 gen f r e e s p e c i m e n . 4 . : $ -3 * : %\ n B 2 .2 \ .<! 2 -2