Введение в водородное охрупчивание

Водородная хрупкость является результатом поглощения водорода чувствительными металлами, что приводит к потере пластичности и снижению несущей способности. Напряжение ниже предела текучести охрупченного материала может привести к растрескиванию и катастрофическому хрупкому разрушению. Водородное охрупчивание также называют водородным растрескиванием или водородной коррозией.

При комнатной температуре атомы водорода могут поглощаться решеткой металла и диффундировать через зерна. Абсорбированный водород может присутствовать как в атомарной, так и в комбинированной молекулярной форме. Независимо от формы атомы или молекулы объединяются, образуя маленькие пузырьки на границах металлических зерен. Эти пузырьки действуют как концентраторы давления, создавая давление между металлическими зернами. Давление может увеличиться до уровня, при котором пластичность металла снижается, что приводит к образованию мельчайших трещин внутри материала. Растрескивание межкристаллитное. То есть трещина растет по границам зерен металла. (Подробнее об этом см. в разделе Водородное вздутие и водородное охрупчивание:причины и профилактические меры .)

Пример отказа из-за водородного охрупчивания показан на рисунке ниже. На левом изображении показан макроскопический вид сломанного болта из хромированной стали. На правом изображении показано изображение поверхности разрушения, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа. Ограненный вид поверхности излома свидетельствует о межкристаллитном разрушении. Болт стал хрупким в процессе гальванического хромирования.

Сломанный болт и изображение поверхности излома, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа.

Есть три обязательных фактора отказа из-за водородного охрупчивания:

1. Восприимчивый материал
2. Воздействие среды, содержащей водород.
3. Наличие растягивающего напряжения из-за остаточного и/или приложенного напряжения.

Высокопрочная углеродистая сталь и низколегированная сталь являются сплавами, наиболее уязвимыми к водородному охрупчиванию. Стали с пределом прочности при растяжении менее 1000 МПа или твердостью менее 30 HRC обычно не считаются подверженными водородному охрупчиванию. (Еще один пример можно найти в статье Проблемы водородного охрупчивания с цинком:обсуждение нового руководства.)

Водород входит и диффундирует через металлическую поверхность при температуре окружающей среды или при повышенных температурах. Это может произойти во время различных производственных и сборочных операций или эксплуатации — везде, где металл вступает в контакт с атомарным или молекулярным водородом.

Процессы, которые могут привести к водородному охрупчиванию, включают фосфатирование, кислотное травление, гальваническое покрытие и дуговую сварку. Во время этих процессов существует возможность поглощения водорода материалом. Например, при дуговой сварке выделяется водород из влаги (например, в покрытии сварочных электродов; чтобы минимизировать это, для сварки высокопрочных сталей применяют специальные электроды с низким содержанием водорода).

Во время использования водород может попасть в металл в результате коррозии, химических реакций металла с кислотами или другими химическими веществами, особенно сероводорода при сульфидном растрескивании под напряжением.

Что касается напряжения, вызывающего разрушение, то даже остаточного напряжения внутри компонента может быть достаточно.

Шаги, которые можно предпринять, чтобы избежать водородного охрупчивания, включают снижение воздействия водорода, а также отжиг после нанесения покрытия и другую обработку, которая приводит к поглощению водорода. Обжиг позволяет водороду диффундировать из металла. Если обжиг невозможен, то использование сталей с более низкой прочностью и снижение остаточного и приложенного напряжения являются возможными способами избежать разрушения из-за водородного охрупчивания. Это может быть лучшим вариантом для обстоятельств, которые приводят к поглощению водорода во время работы компонента.

***
Статья и изображения ранее появлялись на https://www.imetllc.com/водородная охрупчивание-сталь/ <эм>. Перепечатано с разрешения. Copyright ООО "Промышленные Металлурги" .