Динамическое деформационное старение металлов и хрупкость водородного типа

К.В. Попов

Наука, 1968 г.

ВОДОРОДНАЯ ХРУПКОСТЬ ЖЕЛЕЗА, СТАЛИ И НИКЕЛЯ

Поглощение металлами водорода приводит к существенным изменениям их механических свойств, наиболее характерным «В которых является снижение пластичности, известное под   названием   водородной   хрупкости.

Из-за малости атомного радиуса водород относится к немногочисленной группе элементов, способных давать с металлическими фазами сплавов твердые растворы внедрения. Твердые растворы водород может давать с железом в обеих его структурах и с никелем. При изучении поглощения металлом водорода и поведения этой примеси при различном внешнем воздействии на металл, например при деформировании, возникают, однако, некоторые специфические трудности, связанные с особенностями этого элемента. Одна из этих трудностей заключается в том, что водород способен выделяться в несплошностях металла в виде газовой молекулярной фазы. Это явление, как показано ниже, может быть одной из причин водородной хрупкости металла. Известно [148— 151], что содержащийся в стали водород способен под влиянием приложенного электрического потенциала перемещаться в металле как положительный ион, а иногда ведет себя и как носитель отрицательного заряда [151]. Положительная ионизация водородного атома обращает его в протон. Взаимодействие этой частицы с кристаллической решеткой металла и с дефектами этой решетки будет уже иным, чем взаимодействие атома. Это существенно затрудняет исследование природы тех процессов, которые лежат в основе формирования тех или иных свойств металла во время его пластического   деформирования.

Ниже будет показано, что при рассмотрении природы водородной хрупкости исследованных нами    металлов    невозможно пока обойтись без представлений о существовании твердого раствора водорода в металле, в котором имеет место взаимодействие между дефектами решетки и примесью, подобное взаимодействию, наблюдающемуся в металлах, содержащих другие примеси,   растворенные путем внедрения.

Специальное исследование состояния водорода в сталях [1] показало, что водород присутствует в сталях в четырех формах: 1) в растворенном виде в кристаллической решетке металлической основы (феррите или .аустените), 2) в молекулярной фазе в объеме пустот и в адсорбированном виде на их поверхности, 3) в форме воды и гидроксильных групп я 4) в форме гидракарбонилов— растворов водорода в карбидных фазах. Как установлено и в этом исследовании, и а других работах, при выяснении состояния водорода в сталях гидридов железа или гидридов легирующих элементов в них обнаружено  не было.

Недавно появились две работы ['206, 207], обе выполнены на аустенитных хромоникелевых сталях, в которых высказывается предположение [206] или даже утверждается [2071 существование в этих сталях гидридной фазы. Структура этой фазы не описана, и поэтому образование гидрида в стали нельзя   еще   считать   доказанным.

В определенных условиях поглощенный металлами водород наносит его структуре еще до начала деформирования существенные необратимые повреждения, такие, как обезуглероживание, разрыхление границ зерен, макро- и микротрещины. Перечисленные дефекты неблагоприятно сказываются на механических свойствах металла, чаще всего приводя к повышенной склонности к хрупкому разрушению, имеющей признаки хладноломкости (у металлов с объемноцентрированной решеткой) или температурно независимой хрупкости (у металлов,   не   склонных   к хладноломкости).

Мы исследовали в основном водородную хрупкость, не связанную с такими дефектами, имеющую признаки, перечисленные во введении, и являющуюся типичной хрупкостью водородного типа по предлагаемой нами терминологии. В работе [4] этот вид хрупкости назван истинной водородной хрупкостью, а в работе [5] — обратимой водородной хрупкостью.

Наиболее известно неблагоприятное влияние находящегося в стали водорода на ее пластичность. Поэтому во многих работах исследовалось влияние водорода на характеристики стали, отражающие ее способность к пластическому деформированию. Одной из таких характеристик, широко используемой при исследованиях различных случаев охрупчивания металлов,   является   ударная   вязкость.

Указаний на отрицательное влияние водорода на ударную вязкость стали при нормальной температуре довольно много [6—9, 16, 17]. В работах [10—13] установлено, что введенный в сталь водород не только уменьшает ударную вязкость при 20°, но и повышает температуру перехода в хрупкое состояние, т. е. увеличивает склонность к хладноломкости. В цитированных работах было замечено, что влияние водорода на хладноломкость стали становится заметным только при некотором достаточно большом содержании водорода, колеблющемся по разным источникам для различных сталей в пределах от 2 до 8 мл/100 г. Как показали исследования [18], влияние водорода на хладноломкость при статическом растяжении в жидком азоте не обнаруживается, если содержание его в стали не достигает некоторой определенной величины. В [44] исследована темтературно-скоростная зависимость пластичности сплавов железа с хромом в широкой области температур, охватывающей район хладноломкости. Наводороживанию до содержания 2 мл/100 г электролитическим методом подвергались готовые образцы диаметром 3 мм и длиной рабочей части 15 мм. Испытания проводились на растяжение со скоростями от 0,045 до 200 мм/мин. Влияние водорода на хладноломкость обнаружилось на сплаве железа с 5% хрома. Оно выразилось в том, что после наводороживания первые «срывы» относительного сужения с 65 до 0% стали наблюдаться при температуре —120°, в то время как образцы, не содержавшие водорода, сохраняли относительное сужение на уровне 75% до температуры —160°. «Срыв» пластичности при этом виде испытания в ненаводороженных образцах наблюдался только при температуре жидкого азота. Для сплава с 5% хрома содержание водорода до 2 мл/100 г оказалось достаточным для усиления его склонности к хладноломкости. Сплав с 0,5% хрома, иcпытанный при тех же режимах и с тем же содержанием водорода, не обнаружил повышения склонности к хладноломкости под влиянием водорода.

Небольшие количества водорода, которые, по-видимому, еще не дают включений газовой фазы с высоким внутренним давлением водорода, могут даже уменьшать склонность стали к   хладноломкости   [16].

СИНЕЛОМКОСТЬ СТАЛИ

Явление синеломкости наблюдается у сталей с ферритной и перлитной структурой и заключается в снижении пластичности при температуре около 200° С. В этом температурном районе имеет место немонотонная температурная зависимость пластичности с более или менее сильно выраженным относительным минимумом. Сопротивление пластическому деформированию в области этой аномалии обнаруживает малую зависимость от температуры или дает некоторое превышение над сопротивлением деформированию в соседних температурных областях.

В настоящее время можно считать установленным, что явление синеломкости связано с наличием в железе и стали азота и углерода, растворенных в феррите по способу внедрения. Это явление неоднократно было предметом специальных исследований, однако его природа, как отмечено в недавнем обзоре литературы [211], до сих пор оставалась недостаточно ясной.

Как и обратимая водородная хрупкость, явление синеломкости чувствительно к скорости деформирования. При переходе от статического деформирования со скоростью порядка 10~2 сек~1 к ударному со скоростью порядка 102 сек"1 температура при наиболее сильном развитии синеломкости повышается приблизительно на 200° [211, 212].

Исследование зависимости микротвердости технического железа от температуры показало, что в районе синеломкости сопротивление этого материала деформированию вдавливанием значительно возрастает [214, 215].

Механические свойства трех углеродистых сталей при температурах от 20 до 700° описаны в работе [216]. Это исследование подтвердило существование аномалий пластичности и сопротивления деформированию в известном температурном районе синеломкости. Было обнаружено также снижение ударной вязкости при температуре около 500°. Этот эффект автором исследования [216] объяснен не был, однако было высказано 'предположение о том, что по своей природе он отличен от синеломкости. Это предположение расходится с выводами работы [211], в которой снижение ударной вязкости стали в районе 500° рассматривается как эффект синеломкости, сдвинутый в сторону высоких температур за счет повышения скорости деформирования.