Элементы различных конструкций могут подвергаться совместному воздействию длительно действующих нагрузок, температур и различных агрессивных сред. Одним из видов агрессивной среды является водородосодержащая среда. Причем она может действовать на конструкцию как при высоких температурах и давлениях, так и при нормальных, которые условно называют низкими температурами. При высоких температурах и давлениях водород, действуя на материал конструкции, вызывает водородную коррозию - обезуглероживает сечение, в результате значительно изменяются кратковременные и длительные механические свойства. Это приводит к изменению напряженно-деформированного состояния (НДС) элементов конструкций и сокращению долговечности.
При нормальных температурах водород оказывает избирательное воздействие на механические свойства напряженного металла конструкции. Механические свойства сильно изменяются в растянутых зонах и практически остаются стабильными в сжатых зонах конструкции; причем в растянутых зонах изменение механических свойств тем сильнее, чем большее количество водорода проникло в соответствующий объем конструкции. Водородное воздействие приводит к охрупчиванию материала, которое может привести, и в ряде случаев уже приводило к авариям. Несмотря на это, водород широко применяется в различных отраслях техники и промышленности. Более того, в силу целого ряда причин технического, экономического и экологического характера ожидается значительное увеличение потребления водорода в мировой экономике для различных нужд.
Низкотемпературное водородное охрупчивание наблюдается при температурах, не превышающих 200°С (от t = -20 до t = +200 °С), и в этом случае в качестве источника водорода выступает либо сам водород, когда конструктивный элемент представляет собой бак, сосуд, баллон и т.д. (тогда водород просто под давлением проникает в металл), либо водород может появиться как побочный продукт в ряде технологических процессов.
Низкотемпературное водородное воздействие отличается тем, что водород по диффузионному механизму проникает в напряженные и ненапряженные элементы конструкций, причем он интенсивнее проникает в растянутые зоны конструкций и менее интенсивно - в сжатые зоны, накапливается там и после достижения определенной концентрации приводит к изменению механических свойств материала конструкции. При этом степень изменения свойств металлов сильно зависит от содержания водорода. При малом содержании водорода изменения механических свойств практически не наблюдается, после достижения критического уровня происходит интенсивное ухудшение свойств, по достижении предельной концентрации (предельного уровня насыщения) изменение механических свойств затормаживается, несмотря на продолжающееся насыщение материала конструкции.
Особенность работы нагруженных конструкций, подвергающихся низкотемпературному наводороживанию, заключается в том, что изменение механических свойств материала в растянутых зонах происходит более интенсивно, чем в сжатых зонах. Неравномерное изменение свойств вызывает перераспределение поля напряжений, которое в свою очередь влияет на распределение водородного поля. Этот процесс перераспределения напряжений и водородного поля по объему конструкции будет неустановившимся до тех пор, пока либо не стабилизируется состояние конструкции, либо она не разрушится.
При низкотемпературном наводороживании кинетика водородного охрупчивания контролируется кинетикой транспорта водорода. Если концентрация водорода превысит предельно допустимое значение, то развивается водородная хрупкость. Водородная хрупкость проявляется в изменении механических характеристик металла. Термин «водородная хрупкость» является условным, так как водород не всегда приводит к замедленному разрушению.
Под водородной хрупкостью понимают всю совокупность отрицательных явлений, вызванных повышенным содержанием водорода в металле. Вредное воздействие водорода на металл проявляется прежде всего в снижении его прочностных и пластических свойств. Так, снижение пластичности металлов может колебаться в широком диапазоне: от нескольких процентов до почти полной потери пластичности. Влияние водорода на механические свойства металла может осуществляться в результате облегчения обычного для данного металла вязкого разрушения или в результате изменения характера разрушения от вязкого внутризеренного к хрупкому межзеренному. Под воздействием водорода значительно увеличивается чувствительность металлов к наличию трещин. Это делает реальной опасность катастрофического хрупкого разрушения конструкций, обладающих в обычных условиях достаточной несущей способностью.
Природа водородной хрупкости металлов определяется содержанием водорода, характером взаимодействия металлов и сплавов с водородом, состояние водорода в металле, величиной напряжений.
Водородная хрупкость связана с различного рода дефектами и несовершенствами кристаллической решетки металлов. Водородная хрупкость металлов создается самим водородом благодаря особенностям его состояния в металле.
Анализ экспериментальных данных позволил выявить следующие закономерности проявления водородного охрупчивания:
1) вызванная водородом хрупкость проявляется при низких скоростях деформации;
2) повышение содержания водорода в материале ухудшает его прочностные и пластические характеристики;
3) наводороженный металл подвержен замедленному разрушению, т.е. разрушению при постоянной или слабо меняющейся нагрузке;
4) механические характеристики наводороженного металла, находящегося в напряженном состоянии, могут хотя бы частично быть восстановлены в процессе отдыха после снятия напряжений;
5) с ужесточением схемы напряженного состояния интенсивность охрупчивания заметно возрастает[2].
Присутствие водорода приводит к увеличению хрупкости всех без исключения металлов, ни в одном случае не было обнаружено увеличение пластичности металла при окклюзии водорода.
Установлено, что результатом возникновения водородной хрупкости стали является понижение ударной вязкости, относительного удлинения и относительного сужения. Вредное влияние водорода на пластические свойства более резко проявляются у хромоникелевых, хромомолибденовых и хромоникельмолибденовых сталей. Значительное охрупчивание стали, содержащей водород, происходит в интервале температур от - 100 до + 1000 С, максимум водородной хрупкости имеет место при температурах, близких к комнатной, а при температуре – 1960 С водородная хрупкость стали практически не наблюдается. На рисунке 1 схематично это изображено.
Чувствительность стали к водородной хрупкости зависит от многих факторов: в первую очередь от уровня прочности, а затем от состояния, состава, структуры стали, а также свойств отдельных плавок [3].
Так же установлено, что присутствие водорода приводит к резкому понижению пластических свойств никеля и в характере этого процесса имеется много общего с процессом охрупчивания стали и ряда других металлов, имеющих кубическую решетку. Однако в отличие от стали, где давление приводило к необратимым изменениям вследствие пластической деформации, никель деформируется только упруго: после прекращения наводороживания деформация постепенно исчезает.
При воздействии водорода на медь происходит резкое снижение пластичности. Опасность охрупчивания меди необходимо учитывать при некоторых технологических операциях, например при светлом отжиге медных изделий, получившем широкое практическое применение.
Рисунок 1. Схема растяжения стали.
1- исходная нормализация; 2- после наводороживания.
Алюминий не склонен к водородной хрупкости. Единственный дефект, возникающий в алюминиях и его сплавах под действие водород, - газовая пористость, которая оказывает влияние на механические свойства сплавов. Снижение предела прочности представляется следствием охрупчивания из-за пористости.
Тантал наименее склонен к водородной хрупкости. Долговечность наводороженного тантала также значительно ниже, чем не содержащей водород.
Присутствие водорода в титане вызывает резкое ухудшение пластических свойств металла при растяжении и других видах деформации, понижает сопротивление ударному разрушению, отрицательно влияет на характеристики длительной прочности и другие служебные свойства металла. Технический титан обладает большой чувствительностью к водородной хрупкости, чем титан высокой чистоты [1].
Таким образом, проблема водородной хрупкости металлов оказалась значительно более глубокой и всеобъемлющей, чем это предполагалось.
Литература
1. Галактионова, Н.А. Водород в металлах. - М.: Металлургия, 1967. – 304c.
2. Колачев, Б.А. Водородная хрупкость металлов. – М.: Металлургия, 1985. – 215c.
3. Мороз,Л.С Водородная хрупкость металлов. М.: Металлургия, 1967. – 275c.
