Водородоустойчивость стали

Арчаков Ю.И.

Металлургия, 1978 г.

ВЛИЯНИЕ ВОДОРОДА НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТАЛИ

Отрицательное влияние водорода на свойства металлов известно более 100 лет. В технической литературе опубликовано свыше 10 000 статей, освещающих различные аспекты влияния водорода на свойства металлов. Систематизация и обобщение этих материалов сделаны в фундаментальных монографиях. Однако и до настоящего времени нет единой точки зрения, объясняющей механизм водородной хрупкости металлов. На наш взгляд, это связано с влиянием многочисленных факторов, сложностью и недостаточной изученностью отдельных элементарных физико-химических процессов.

Водород взаимодействует и растворяется практически во всех металлах и сплавах. Поэтому вопрос хрупкости железа и сталей в настоящее время   перерос в   большую и очень важную проблему водородной хрупкости не только сталей, но и сплавов на основе никеля, титана, ванадия, циркония и других металлов.

Существует несколько видов водородной хрупкости, которые подразделяются по обратимости или необратимости процессов разрушения, по влиянию скорости деформации на склонность металлов к водородной хрупкости. По мнению автора, наиболее правильная классификация водородной хрупкости дана Б. А. Колачевым [130], который все виды водородной хрупкости делит на две группы:

1) хрупкость первого рода, обусловленная источниками, которые имеются в исходном металле из-за повышенного содержания водорода;

2) хрупкость второго рода, обусловленная источниками, которые развиваются в металле с повышенным содержанием водорода в процессе пластической деформации.

Водородная хрупкость I рода усиливается с увеличением скорости деформации и является необратимой. Она может быть обусловлена газообразными продуктами, которые образуются внутри металла при реакции диффундирующего водорода с примесями или легирующими элементами в металле.

Водородная хрупкость второго рода проявляется при небольших скоростях деформации. Такая хрупкость развивается прежде всего в закаленных сплавах при содержаниях водорода выше определенного предела.

Б. А. Колачев предлагает следующую классификацию видов водородной хрупкости.

А. Хрупкость первого рода — необратимая хрупкость, усиливается с увеличением скорости деформации:

1. Хрупкость, обусловленная продуктами взаимодействия водорода с примесями, с образованием внутри металла газа высокого давления — водородная болезнь, водородная коррозия (Си, Ag, Fe, стали);

2. Хрупкость, обусловленная высоким давлением молекулярного водорода (стали, Ni, Си, Mg);

3. Гидридная хрупкость (U, Та, Zr, Τi, титановые сплавы);

4. Хладноломкость, обусловленная искажениями решетки при растворении водорода (Nb, V, α+β и β-титановые сплавы).

Б. Хрупкость второго рода — проявляется в определенном интервале скоростей деформации:

1. Хрупкость, обусловленная распадом пересыщенных относительно водорода твердых растворов (Zr, Ti, а и α+β-титановые сплавы) — необратимая хрупкость;

2. Хрупкость, обусловленная взаимодействием атомов водорода с дислокациями (все металлы с заметной растворимостью водорода)—обратимая хрупкость;

3. Хрупкость, обусловленная направленной диффузией атомов водорода (все металлы с заметной растворимостью водорода) — обратимая хрупкость.

В этой монографии основное внимание будет уделено сравнительно мало освещенному в литературе вопросу, а именно, влиянию водорода на механические свойства сталей при высоких температурах и давлениях. По-видимому, при этих условиях целесообразно рассмотреть чисто физическое воздействие водорода на металл, связанное с абсорбцией газа металлами, не сопровождающееся образованием новых фаз и изменением микроструктуры и физико-химическое воздействие водорода на металл, сопровождающееся химическим взаимодействием газа с отдельными фазами и компонентами сплава (восстановление карбидных и других фаз водородом, образование гидридов), что вызывает изменение микроструктуры металла. Водородная хрупкость первого вида часто является обратимой — при нагреве металла поглощенный водород выделяется, а механические свойства восстанавливаются до исходных значений. Водородная хрупкость второго вида является необратимой и никакой термической обработкой не удается восстановить первоначальные свойства металла.

Влияние водорода на механические свойства стали при высоких температурах и давлениях принято оценивать сравнением свойств наводороженных образцов стали при комнатной температуре со свойствами стали в исходном состоянии. Для сталей, склонных к отпускной и тепловой хрупкости, — со свойствами стали после длительного теплового воздействия. Обычно влияние водорода на механические свойства характеризуют отношением свойств наводороженной стали к свойствам стали в исходном состоянии (в процентах).

При определении механических свойств наводороженных образцов существенную роль играет скорость их охлаждения, так как от нее в значительной степени зависит оставшееся в стали после охлаждения количество водорода.