Влияние водорода на металл

Обновлено: 15.05.2024

Процесс электрической сварки плавлением характеризуется химическими реакциями, которые возникают между расплавленным металлом и окружающей средой. При переносе металла с электрода в сварочную ванну капли и пары электродного металла и сварочной ванны, нагретые до высоких температур, взаимодействуют с атмосферными и другими газами и жидким шлаком. Поэтому химический состав наплавленного металла может существенно отличаться от химического состава электродов и основного металла. Это, как правило, усугубляется высокой температурой сварочной ванны и малым временем пребывания металла в жидком состоянии. Таким образом, в процессе сварки в течение короткого промежутка времени происходят сложнейшие процессы взаимодействия различных химических элементов. Основное влияние на качество сварного шва оказывают кислород, азот и водород. При неправильном ведении процесса сварки водород образует поры в шве, а кислород и азот существенно ухудшают механические свойства наплавленного металла. Кислород попадает в зону сварки из окружающего воздуха, из влаги кромок свариваемого металла, из влаги флюсов, обмазки электродов и защитных газов, а также из материалов обмазки и флюсов. В материалах обмазки и флюсах кислород находится в виде оксидов марганца, кремния и др. В процессе сварки кислород соединяется с железом и остается в металле шва в виде оксида FeO.

С повышением содержания кислорода в металле шва снижается предел прочности, предел текучести, ударная вязкость; ухудшается коррозионная стойкость, жаропрочность сталей. Удаление кислорода из расплавленного металла достигается за счет введения в сварочную ванну таких элементов, как марганец и кремний. Эти элементы взаимодействуют с оксидом железа FeO, кислород в связанном состоянии переходит в шлак или на поверхность сварочной ванны. Такой процесс называется раскислением. Азот попадает в зону сварки из окружающего воздуха. Азот растворяется в железе, марганце, титане, молибдене и вступает с ними в химическое взаимодействие с образованием нитридов. Нитриды резко увеличивают прочность и снижают пластичность сварного шва. Для уменьшения содержания азота в металле шва необходимо исключить азот из зоны сварки. Этого достигают при сварке в защитных газах. Водород, подобно кислороду и азоту, поглощается в процессе сварки металлом шва. Источником водорода в зоне сварки может служить атмосферная влага, влага покрытия или флюса, влага ржавчины на поверхности сварочной проволоки и на свариваемых кромках. В отличие от кислорода и азота водород не образует в процессе сварки химических соединений с железом, а лишь растворяется в расплавленном металле. Повышенная растворимость водорода в жидком металле приводит к пористости. Уменьшения содержания водорода в металле шва можно добиться путем предварительного прокаливания толстопокрытых электродов и флюсов, тщательной зачисткой свариваемых кромок от ржавчины, окалины и других загрязнений, предварительным нагревом деталей.

Одновременно с удалением из металла шва кислорода, азота водорода необходимо также очищать (рафинировать) металл шва от серы и фосфора, являющихся вредными примесями в сталях. Сера попадает в сварочную ванну из основного металла, сваркой проволоки, покрытий и флюсов. Наиболее неблагоприятной формой сернистых соединений в металле шва является сульфид железа FeS. В процессе кристаллизации он образует с железом эвтектику с температурой плавления ниже, чем у основного металла. Эвтектика располагается между зернами кристаллизующегося металла и является причиной возникновения горячих трещин сноломкость. Избавиться от появления такого дефекта позволяют марганец и кальций, содержащиеся в сварочной проволоке и обмазке электрода. Фосфор в металле шва находится в виде фосфидов железа Fe3P и Fe2P. Увеличение фосфора в металле шва снижает ударную вязкость, особенно при низких температурах, поэтому фосфор необходимо удалять. Это достигается за счет его окисления и удаления в шлак. Для снижения вредного влияния серы и фосфора их содержащееся в основном и электродном металле, в покрытии электродов и флюсах строго ограничивается соответствующими стандартами.

Влияние водорода на свойства стали

Водород может оказывать на металл двоякое влияние: с одной стороны, он защищает его от насыщения кислородом и азотом, предупреждает окисление (связывая кислород), восстанавливает при известных условиях металл из оксидов, препятствует образованию нитридов железа (см. рис. 9.5); с другой стороны, водород растворяется в металле и становится причиной появления существенных дефектов в шве - пористости и трещин.

Металлы, растворяющие водород, делятся на две группы:

- металлы (Fe, Ni, Al, Со, Си, Мо и др.), не образующие химических соединений с водородом;

- металлы (Zr, Ті, V, Та, Th и др.), образующие твердые растворы и химические соединения с водородом (гидриды).

Атомарный водород растворяется как в твердом, так и в жидком железе. Как следует из рис. 9.6, б, растворимость водорода в железе с повышением температуры растет и изменяется скачкообразно в моменты полиморфных превращений. При переходе железа из твердого состояния в жидкое наблюдается резкое возрастание растворимости водорода, достигающей максимального значения при температуре ^2700 К. Таким образом, наиболее значительное насыщение металла водородом при сварке происходит в процессе формирования и переноса капель с электрода в сварочную ванну.

Рис. 9.12. Влияние температуры и парциального давления водорода в газовой фазе на его растворимость в жидком железе (кривые 7, 2, 3, 4 - для значений соответственно КГ1, 5x10-2, 25x10-3, 10 2 МПа)

Рис. 9.13. Зависимость растворимости водорода в жидких металлах от концентрации в нем кислорода при температуре, близкой к температуре плавления металла

Степень насыщения жидкого металла водородом зависит от наличия в газовой среде элементов, способных связывать водород в химические соединения, не растворимые в жидком металле и тем самым снижающие его парциальное давление в газовой среде. Так, образование в газовой среде соединений ОН и HF, не растворимых в жидком металле, снижает насыщенность металла водородом.

Кроме того, весьма существенным является парциальное давление водорода в газе, контактирующем с металлом. Об этом свидетельствуют представленные на рис. 9.12 зависимости растворимости водорода в металле от температуры среды при разном его парциальном давлении (рщ) в газовой среде.

Находясь в окисленном жидком металле, водород взаимодействует с кислородом по реакциям:

(квадратными скобками обозначены газы, растворенные в металле). Поэтому наличие в металле кислорода ограничивает концен-
ірацию в нем водорода. На рис. 9.13 приведены данные о совместном растворении водорода и кислорода в жидких металлах: железе, меди и никеле. Как следует из рисунка, даже при незначительной окисленности жидкого металла резко снижается содержание в нем водорода.

Насыщение водородом жидкого металла отрицательно сказывается на его свойствах. При достаточно быстром охлаждении металла сварочной ванны не весь растворенный в ней водород успевает выделиться. Особенно много водорода задерживается при снижении температуры превращения у - а. Оставшийся в металле атомарный водород задерживается в ветвях зарождающихся и растущих дендритов, у поверхности кристаллов, у мест расположения посторонних включений, а также в микронесплошностях - скоплениях дислокаций и других дефектах кристаллического строения. В этих местах атомы водорода соединяются в молекулы. Поэтому парциальное давление атомарного водорода в районе дефектов резко снижается, вследствие чего он продолжает диффундировать в том же направлении. Непрерывно образующийся молекулярный водород создает значительные давления, так как сам он не диффундирует через металл и практически не растворим в нем. Кроме того, водород может окисляться и образовывать водяной пар, который в металле не растворяется. В связи с тем что давление направлено во все стороны, в металле возникает объемное напряженное состояние, приводящее к снижению его пластических свойств, а иногда - к хрупкому разрушению и закалочно-водородным трещинам.

. Следовательно, хотя водород и не образует с металлом шва соединений, отрицательно влияющих на прочность сталей, он усиливает вредное влияние макро - и микронесплошностей, способствует резкому снижению пластических свойств и хрупкому разрушению закаленных сталей.

Водородная хрупкость

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 + 100 0 С, максимум водородной хрупкости имеет место при температурах, близких к комнатной, а при температуре – 196 0 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.

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.

Основные термины (генерируются автоматически): Водородная хрупкость, Водород, Водородная хрупкость металлов, металл, присутствие водорода, свойство, температура, водородное охрупчивание, водородное поле, сам водород.

Водород. Заблуждения (Охрупчивание)

Итак, на необъятных просторах интернетов, был найден древний фолиант, содержащий тайные знания погибшей цивилизации о воздействии водорода на металлы.

Весь труд довольно объёмен и желающие могут с ним ознакомиться полностью, по ссылке выше. Я же сделаю небольшие выдержки, того что показалось интересным с небольшими комментариями.

Активизация процессов водородного охрупчивания металлов, начинается при относительно небольших температурах, всего от 200 град.С. Я конечно понимаю, что газ в МГП находится под давлением и оттого слегка разогретым, но сильно сомневаюсь, что там есть близко 200 град.С. Но не суть, давайте дальше:

Охрупчивание начинается не сразу и вдруг, а имеется некий период безопасной эксплуатации. При температурах до 200 град.С индукционный период в металлах составляет скромные 100 тысяч часов. Тестировался суперсплав сталь 20.

Имеются способы повысить стойкость металлов, в частности путём легирования. Легирование хромом наиболее эффективно и уже при 12% добавки сплав становится водородностойким. Обратите внимание на рис. 4.49 на незаштрихованную область. Даже меньшие чем 12% добавки хрома уже существенно повышают температуру процесса.

Также может применяться плакировка, вместо цельного сплава. Не рассмотрен процесс гальванопокрытия, например медью, но это 1978 год. Воды утекло с тех пор.

Процесс охрупчивания не является необратимым. При определённых условиях он может быть обращён вспять. "Повреждённая" деталь может быть восстановлена и возвращена в эксплуатацию.

Последний слайд сообщает нам, что некий алюминиевый промышленник суетиться не просто так, а возможно что-то знает про технологии древних:

Зелёным выделен тезис о водородном охрупчивании меди. О процессе я писал в прошлый раз. Там вместо углерода в реакцию вступает кислород, отсюда и такие специфические требования именно к меди. Содержание кислорода в 0,01% не является чем-то запредельным. Это ГОСТовский норматив по кислороду для сплавов М1 и чище. Те же водопроводные трубы вполне себе делаются из сплава М1ф и полагаю могут быть использованы в качестве "последней водородной мили". (Внезапно даже для меня ).

Вобщем тезисы из комментариев к первой части:

Вплоть до того, что даже считанные минуты контакта с пузырьками водорода могут в будущем привести к разрушению массивной детали. По этой причине высоко нагруженные детали не покрывают гальваническими покрытиями, так как при их нанесении часто выделяется водород, который может способствовать разрушению детали в процессе эксплуатации.

Водородной хрупкости подвержены сплавы железа, алюминия, титана, никеля. То есть практически все конструкционные детали. Медь тоже подвержена, только её не относят к конструкционным металлам.

Проблема разрушения кристаллической решетки металла не зависит от концентрации водорода. Если водород в смеси есть, то разрушение будет происходить. Это одна из нерешаемыз задач на современном уровне НТП. В принципе не решаемая.

и прочие (простите кого забыл), предлагаю считать ~~полным фуфелом~~ несостоятельными.

Всем бобра! Хорошего настроения! Держитесь там

Ни сколько не сомневаясь в выводах Автора, воспользовавшись "внешним интеллектом" хочу привести следующие цитаты из статьи

Достаточно подробный анализ современного состояния исследований проблемы

водородного охрупчивания металлических материалов по первому направлению содержится в

статье [1], где отмечается, что Министерством энергетики США в свое время были

сформулированы и рекомендованы основные направления фундаментальных исследований

процессов переноса водорода в металле и процессов деградации механических свойств,

приводящих к разрушению металлов [2]. При этом анализ работ [37] показывает, что

механизмы водородного охрупчивания и деградации свойств изучены недостаточно, особенно

по отношению к процессам водородного охрупчивания и деградации механических свойств

сталей для магистральных газопроводов [8 10]. Причем в [10] говорится: «анализ аварийных

разрушений магистральных газопроводов показывает, что наряду с действием многих факторов

(коррозия, пульсация температуры и давления газа), одним из весомых является

Нечаев Ю. С. Актуальные проблемы старения, водородного охрупчивания и
стресс - коррозионного поражения сталей и эффективные пути их решения
2007, № 11(55)6

Колачев Б. А. Водородная хрупкость металлов. М. Наука. 1985. 216 с.

Ткачев В. И., Холодный В. Н., Левина И. Н. Работоспособность сталей и сплавов
В среде водорода. Львов. НАН Украины, Физ. мех. ин т им. Г. В. Карпенко. 1

НЕ ВСЁ ТАК ОДНОЗНАЧНО ))

Проблема разрушения кристаллической решетки металла не зависит от концентрации водорода. Если водород в смеси есть, то разрушение будет происходить. Это одна из нерешаемыз задач на современном уровне НТП. В принципе не решаемая. .

Вы знаете что в самом обычном воздухе содержится водород?

Воздух, которым мы дышим, на 78% состоит из азота, на 21% - из кислорода и на 0,03% - из углекислого газа. Оставшийся процент приходится на водяные пары, водород, благородные газы и другие примеси.

Всех предупреждаю - не читая комментировать не надо - буду прибивать нафиг тапком не отвечая. Коммент выше оставляю как пример. Автору при рецидиве - 15 суток.

Активизация процессов водородного охрупчивания металлов, начинается при относительно небольших температурах, всего от 200 град.С. Я конечно понимаю, что газ в МГП находится под давлением и оттого слегка разогретым, но сильно сомневаюсь, что там есть близко 200 град.С. Но не суть, давайте дальше:

Ну, выше сотни градусов там точно.

Не зря же там системы охлаждения стоят, на каждой из сотен станций перекачки газа.

А локально(на лопатках компрессоров) и того выше.

Vinnie J (2 года 4 месяца) 01:04-20/Авг/21

Охлаждение разумеется, потому как при росте давления в 10-20-30 раз у нас соответственно и температура вырастет в 10-20-30 раз. Сжатие в Потоки вообще наверное многоступенчатое с промежуточным охлаждением, т.к. там помнится сотни атмосфер на входе давят.

В любом случае, всё не так однозначно как видится с массах.

Вопрос про турбины нагнетающих станций.

Лопатки компрессоров нагреваются выше 200 градусов.

Как с ними быть?

Как это устроено и почему работает, например.

Вопрос про турбины нагнетающих станций.

Лопатки компрессоров нагреваются выше 200 градусов.

Как с ними быть?

Так это большая часть стоимости турбины. А турбина - большая часть стоимости компрессора.

Нафига козе баян?

Александр Хуршудов (6 лет 8 месяцев) 12:32-20/Авг/21

Я занимался этой проблемой, сероводородным охрупчиванием прочных сталей. Наиболее опасен водород в момент образования, часть его не успевает соединиться в молекулы, проникает в структуру металла и молизуется на границах зерен. При этом мягкие стали шелушатся, а высокопрочные - хрупко ломаются. Думаю, в сжиженном водороде этих проблем не будет, слишком мала температура и тепловое движение.

Bruno (7 лет 1 месяц) 13:36-20/Авг/21

Жидкий водород изначально имеет две фазы - 25% пароводорода и остальное - ортоводород. Если отконвертировать вторую фазу до первой (процедура трудоёмка длительностью - несколько суток, если не прибегать к катализу) процентов до 95 или больше, то отлично хранится месяцами.

Именно СЕРОводородная коррозия довольно хорошо исследована. Даже структура под названием NACE создана.

Александр Хуршудов (6 лет 8 месяцев) 13:26-2/Сен/21

Верно. С молекулярным водородом дела обстоят иначе. Он не так опасен.

охрупчивание грозит именно запорной арматуре и компрессорному хозяйству

для улучшения обрабатываемость нержи (12х18н10т) подвергают заготовки насыщению водородом

после обработки в вакуумную печь ( хотя можно и без вакуума и печи , через неделю сам выйдет )

Локально на станции да, но не на протяжении же всей трубы.

скромные 100000 часов это 11 лет. Менять раз в 10 лет магистральный газопровод так себе идея.

ZIL.ok.130 (5 лет 2 месяца) 12:19-20/Авг/21

На компрессорах -- композиты на лопатки?

Если нужно сделать -- найдём как.

А он вообще, держит ли водород? Или как решето? Обычная ПП труба для водопровода проницаема для даже молекул кислорода. Для защиты от проникновения кислорода в воду используют слой алюминия. Можете вспомнить советский шоколад и чай. Блестящая фольга использовалась для защиты продукта от окисления.

ZIL.ok.130 (5 лет 2 месяца) 18:17-20/Авг/21

Авай ка ещё раз, а то вижу что в буквы у тя плоховато(да хреново прям!) получаеца:

Хва фшары лупица и тупить.

Перспективный чат детектед! Сим повелеваю - внести запись в реестр самых обсуждаемых за последние 4 часа.

mastak (9 лет 9 месяцев) 08:44-20/Авг/21

Там вместо углерода в реакцию вступает кислород,

Это только малая часть процессов.

Есть еще простое наполнение металлической решетки атомами водорода и ее разрыв от простых электрических сил. И далее появление микротрещин со всеми вытекающими.

Приведенный учебник рассматривает только часть проблемы.

Приведенный учебник рассматривает только часть проблемы.

Он еще и 1978 года. Водородным охрупчиванием у нас плотно занимались как раз в этот период, но вряд ли последние наработки попали прямо в справочник инженера-химика.

Если обратиться к опыту организации, вынужденной плотно заниматься этой темой, то выводы в ней сделали такие:

Проведены обширные исследования работоспособности конструкционных материалов в среде водорода при комнатной и повышенных температурах, при различных уровнях давлений и скоростей деформации, которые позволили установить закономерности снижения свойств сталей и сплавов от водородного охрупчивания:
- наибольшее охрупчивание вызывает среда газообразного водорода в диапазоне температур от -100 до -200 °С, максимальное снижение пластичности имеет место при "комнатной" температуре;
- наиболее чувствительными к среде газообразного водорода при "комнатной" температуре являются характеристики механических свойств, связанные с возникновением значительных пластических деформаций, а также малоцикловая усталость и скорость роста трещин;
- эффект охрупчивания в газообразном водороде при "комнатной" температуре является обратимым и не зависит от продолжительности выдержки в водороде;
- водородное охрупчивание возрастает с увеличением уровня напряженности, жесткости напряженного состояния и зависит от скорости деформаций;
- в среде газообразного водорода высокого давления в области температур, близких к "комнатной", наблюдается уменьшение пластичности и сравнительно небольшое уменьшение прочности при испытаниях на растяжение многих сплавов на основе железа, никеля и кобальта.

Взаимодействие металлов с водородом

Изучению взаимодействия водорода с металлами посвящено большое количество исследований как материаловедческого, так и фундаментального плана. Это вызвано тем, что водород, проникающий в металл во время плавки, разливки и различных химических, электрохимических, газоразрядных и ядерных процессов, является одной из важнейших причин ухудшения эксплуатационных характеристик материала. Снижение пластических свойств материалов (водородная хрупкость), раковины, пузыри, трещины и другие макроскопические несовершенства структуры способствуют быстрому разрушению изделий, контактирующих с водородом.

Основными проблемами конструкционных и функциональных материалов является механизм проникновения водорода в металл и изменение свойств под действием водорода.

Причиной низкотемпературного наводороживания является катодная поляризация поверхности стального оборудования в электролитических средах. Такая поляризация на практике может иметь место в результате двух принципиально отличающихся процессов: 1) саморастворения (коррозии, химического травления); 2) электрохимической обработки с наложением тока [1].

Наводороживание слагается из этапов адсорбции, абсорбции (растворение) и диффузии водорода. Следовательно, чтобы узнать характер неоднородности, появившейся в результате наводороживания нужно знать закон распределения водорода по объему конструктивного элемента и связь концентрации водорода со степенью изменения механических свойств.

Следуя Б.А.Колачеву, процесс диффузии водорода в металл можно описать следующим образом [2]. При адсорбции молекулы водорода в конечном итоге распадаются на атомы, которые затем диффундируют вглубь металла. Плотность потока J, то есть количество вещества, диффундирующего в единицу времени через единицу поверхности, перпендикулярной потоку вещества, пропорциональна пространственному коэффициенту концентрации

где D – коэффициент диффузии, C - концентрация водорода.

Для одномерной задачи уравнение переходит в первый закон Фика

Если коэффициент D не зависит от концентрации, то из первого вытекает второй закон Фика в виде

В интегральной форме коэффициент диффузии:

где - концентрации диффундирующего тела в поверхностных слоях.

Кроме того, коэффициент диффузии для тонких мембран зависит от толщины сечения, это связано с тем, что при тонких сечениях не выполняется первый закон Фика, так как не достигается независимость концентрации от плотности поляризующего тока.

Для нахождения закона распределения концентрации водорода и по объему конструктивного элемента в любой момент времени нужно решить уравнение диффузии с начальными и граничными условиями, соответствующими рассматриваемой задачи.

Большой интерес представляют работы Катлинского B.M. [2]. Он провел большую работу по анализу и статистической обработке опубликованных экспериментальных данных для коэффициента диффузии водорода в различных металлах. Причем автор при анализе исключал из рассмотрения резко отклоняющиеся данные и использовал метод наименьших квадратов для нахождения значений D и E в зависимости:

где D₀ – предэкспоненциальный множитель, E – энергия активации при диффузии, R – газовая постоянная, T - абсолютная температура.

В таблице 1 приведены эффективные значения D и E.

Таблица 1. Параметры температурной зависимости коэффициента диффузии водорода D.

Читайте также:

Влияние водорода на металл

Влияние водорода на свойства стали

Водородная хрупкость

Похожие статьи

Взаимодействие металлов с водородом | Статья в журнале.

Исследование механизма наводораживания металла.

Физико-химические свойства редкоземельных элементов.

К вопросу применения водорода на двигателях внутреннего.

Получение водорода в домашних условиях

Влияние структурных изменений при высокотемпературном отжиге.

Краткий обзор опытно-конструкторских работ по использованию.

Изменение структуры и состава нитридного слоя при.

Модификация электрических и оптических свойств тонких слоев.

Водород. Заблуждения (Охрупчивание)

Комментарии

Взаимодействие металлов с водородом