Effects of hydrogen and oxygen on the elastic moduli of vanadium, niobium, and tantalum single crystals

Abstract

Measurements of the ultrasonic wave velocities at 30 to 50 MHz frequencies reveal very significant effects of dissolved hydrogen on the elastic shear moduli, C′ = (C11 – C12)/2 and C44, of the group V b.c.c. transition metals. In all cases C′ decreases with increasing hydrogen solute, whereas C44 increases and the bulk modulus remains nearly constant. The ΔC′ effect is interpreted as a Snoek relaxation that arises from a tetragonal elastic dipole produced by interstitial hydrogen in tetrahedral sites. The data indicate that the tetragonal distortion parameter, λ1 – λ2, is 0.11 for V, 0.051 for Nb, and 0.047 for Ta. The rate of increase in C44 is 0.5% per at% hydrogen for V, 1.8% for Nb, and 0.13% for Ta. This increase is reflected in a positive change in the isotropic Young's modulus for Nb, opposing the Snoek relaxation effect. The addition of oxygen to V and Nb produces no Snoek relaxation at these high frequencies, but the positive change in C44 is as pronounced as in the hydrogen addition. Present information is not sufficient to relate this ΔC44 effect strictly to the interstitial solute configuration. Further research is needed on the temperature dependence of the effect. Messungen der Ultraschallgeschwindigkeiten bei Frequenzen von 30 bis 50 MHz zeigen beträchtliche Einflüsse von gelöstem Wasserstoff auf die Schermoduli C′ = (C11 – C12)/2 und C44 der k.r.z.-Übergangsmetalle der Gruppe V. In allen Fällen nimmt C′ mit steigendem Wasserstoffgehalt ab, während C44 zunimmt und der Volumenmodul nahezu konstant bleibt. Der ΔC′-Effekt wird als Snoek-Relaxation interpretiert, die von einem tetragonalen elastischen Dipol herrührt, der von Wasserstoff auf Tetraeder-Zwischengitterplatz erzeugt wird. Die Werte zeigen, daß der Parameter der tetragonalen Verzerrung, λ1 – λ2, 0,11 für V, 0,051 für Nb und 0,047 für Ta beträgt. Die Anstiegsrate für C44 beträgt 0,5% pro At% Wasserstoff für V, 1,8% für Nb und 0,13% für Ta. Dieser Anstieg wird als positive Änderung des isotropen Young-Moduls für Nb beobachtet, der entgegengesetzt ist zur Snoek-Relaxation. Die Zugabe von Sauerstoff zu V und Nb erzeugt keine Snoek-Relaxation bei diesen hohen Frequenzen, jedoch ist die positive Änderung in C44 genauso ausgeprägt wie bei Wasserstoffzugabe. Gegenwärtige Informationen reichen nicht aus, um diesen ΔC44-Effekt direkt mit der Zwischengitterkonfiguration zu verknüpfen. Weitere Untersuchungen der Temperaturabhängigkeit des Effektes sind dazu notwendig.