ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Водородная хрупкость технологического происхождения из "Диагностика металлов " Водородной хрупкостью называют ухудшение одной или нескольких механических характеристик металла в результате его на-водороживания. Водородное охрупчивание отражает совокупность изменяющих механические свойства металлов взаимосвязанных явлений, в каждом из которых участвует водород. Склонность стали к водородному охрупчиванию оценивают, в основном, по снижению ее пластичности [76]. Однако для оценки технического состояния и остаточного ресурса металлической конструкции практический интерес представляет влияние наводороживания на сопротивление хрупкому разрушению и характеристики трещиностойкости. [c.138] Рассмотрим вопросы проявления водородного охрупчивания, обусловленного наводороживанием металла при технологических процессах изготовления сварных, литых и кованых конструкций. Водород попадает в металл при выплавке, травлении, нанесении гальванических покрытий, сварке. Растворяясь в ферритой матрице, он занимает преимущественно октаэдрические поры в ОЦК решетке, вызывая при этом увеличение объема на 1,75 см /моль [77]. [c.138] Водородное охрупчивание происходит в результате миграции растворенного в металле водорода к дислокациям, вызывая их закрепление (блокирование). Поэтому отрицательное влияние водорода проявляется, главным образом, в снижении пластичности при деформации с небольшими скоростями, когда скорость диффузии водорода совпадает со скоростью перемещения дислокаций. [c.138] Температура эксплуатации и скорость нагружения существенно влияют на склонность к водородному охрупчиванию. Подвижность водорода весьма высока при комнатной температуре и возрастает в два и черыре раза при повышении температуры до 100 и 200 С соответственно. Эффект повышения температуры может проявиться двояко в возможности повышения концентрации водорода на дефектах структуры, в увеличении вероятности ухода водорода из металла. При понижении температуры скорость диффузии водорода уменьшается, и при определенных скоростях перемещения дефектов кристаллической решетки типа дислокаций водород не в состоянии перемещаться вместе с ними. [c.139] Схематически влияние температуры и скорости растяжения на пластичность титановых сплавов приведена на рис. 4.11 [78, 79]. [c.139] Свободный водород находится в стали в ионизированном состоянии (протоны). Передвижение водорода в твердом состоянии металла происходит под действием градиента концентраций, полей упругих напряжений и электрического тока. Растягивающие напряжения увеличивают, а сжимающие уменьшают диффузию водорода в стали. [c.139] Водород диффундирует в зону растягивающих напряжений (у концентраторов напряжений). Диффузия водорода в условиях градиента его концентрации возрастает при повышении температуры и проявляется в десорбции (уходе) водорода из стали. [c.140] Известны следующие механизмы, которые с участием водорода ухудшают свойства конструкционных сплавов взаимодействие с дислокациями взаимодействие с межатомными связями в кристаллической решетке создание очагов внутреннего давления образование гидридов. [c.140] При оценке склонности к водородному охрупчиванию по изменению относительного сужения используют отношение (3 = где 4 и - относительное сужение в водороде и в среде без него. [c.140] Небольшие концентрации водорода в твердом растворе практически не влияют на ударную вязкость. Нагружение происходит слишком быстро и времени для переноса водорода в зону предразрушения развивающейся трещины недостаточно. При больших концентрациях водорода, когда он находится в виде молекул в коллекторах или образует гидриды, ударная вязкость снижается. За критерий охрупчивания при испытаниях на ударный изгиб принимают отношение ударной вязкости наводороженного до определенной концентрации образца к ударной вязкости образца после вакуумного отжига. Чем меньше величина этого отношения ( 3J, тем чувствительнее сплав к водородной хрупкости при ударном нагружении [80]. [c.140] Существенное охрупчивание металла под действием внутреннего водорода наблюдается также при малоцикловом нагружении. Долговечность после предварительного наводороживания резко падает [81]. Снижение долговечности оценивается коэффициентом влияния водорода рд = NJN, где N - средние для каждой амплитуды и температуры числа циклов до разрушения наводороженных и ненаво-дороженных образцов. [c.140] Взаимодействуя с дислокациями, водород скапливается вокруг них, переносится дислокациями, облегчая их движение и тем самым разупрочняя материал. Имеются данные о подавлении водородом поперечного скольжения дислокаций, что изменяет характер скольжения. Водород, связанный с движущейся дислокацией, подхватывается ею и оседает на дефектах решетки - границах фаз и включений. В этих условиях локальное высокое пересыщение водородом может возникать в материале, находящимся в среде с низким давлением газообразного водорода. [c.140] Концентрация водорода в кристаллической решетке в окрестности раздела фаз, включений и границ зерен снижается вследствие стока водорода на эти границы и образования в стоке молекулярного водорода. В результате все новые порции водорода будут диффундировать в эти зоны, приводя к образованию все большего количества молекулярного водорода и росту его давления в образующихся внутренних пустотах. Процесс водородного охрупчивания, зависящий от внутреннего давления в пустотах и микротрещинах, обусловливает снижение уровня напряжений, необходимых для разрушения. При высокой степени насыщения материала водородом практически не требуется внешнего напряжения для зарождения и роста микротрещин. Этот вид повреждения конструкционного материала называют необратимым водородным охрупчиванием [82]. [c.141] При концентрации выше предела растворимости в твердой фазе водород может взаимодействовать со многими металлами и образовывать вторичные фазы - гидриды. [c.141] Связанный водород в стали может находиться в коллекторах и карбогидридах (химически связанное состояние), не ухудшая механические свойства стали, поскольку не может легко диффундировать в процессе деформации. [c.141] Заметное влияние водорода на характеристики механических свойств проявляется при содержании его в стали в количестве 1—2 см /100 г при дальнейшем увеличении его концентрации пластичность и истинное разрушающее напряжение металла существенно снижаются [83]. [c.141] По обобщенным данным [84] на металлургическом производстве ПО Уралмаш содержание водорода в фасонном литье и слитках из кислой и основной мартеновской стали составляет 4-6 и 5-9 см /100 г. В стали, выплавленной в электропечи, содержание водорода достигает 5-7 см /100 г. На содержание водорода в стали значительно влияет сезонный фактор. Зимой содержание водорода на 2-3 см ЮО г ниже, чем летом. Вследствие увлажнения извести при ее хранении содержание водорода может подниматься до 12-15 см /100 г. [c.141] Иная картина наблюдается в отношении предела прочности под влиянием водорода предел прочности армко-железа возрастает, стали 20 не изменяется, а сталей 45 и У8 понижается. [c.142] В период пребывания материала под действием внешней нагрузки водород образует пузыри и трещины по внутренним поверхностям раздела фаз, на границах зерен и/или неметаллических включений, вызывая замедленное разрушение. Это явление, описанное еп е в 1875 г. в иностранной литературе, называют внутренним водородным охрупчиванием [82] (по суш,еству это водородная хрупкость технологического происхождения). [c.143] Типичным примером хрупкого разрушения от водорода, попавшего в металл в процессе изготовления изделия, являются случаи разрушения двух роторов из 0,3 С-2,5 Ni-0,5 Мо-0,1 V-стали [86] после ковки роторы подвергали нормализации и последующему отпуску разрушения роторов в Аризоне и в Риджленде произошли в ходе предпускового испытания и после 4 мес. эксплуатации соответственно трещины зарождались в местах расположения водородных флокенов диаметром 25-40 мм (рис. 4.13). [c.143] Вернуться к основной статье