Понимание водородной ломкости: причины, последствия и предотвращение

Водородная ломкость — результат поглощения водорода восприимчивыми металлами, приводящий к потере вязкости и снижению несущей способности. Напряжение ниже предела текучести ломкого материала может привести к трещинам и катастрофическому хрупкому отказу. Также называется водородно-индуцированным трещинованием или водородной атакой.

При комнатной температуре атомы водорода могут поглощаться в металлическую решетку и диффундировать через зерна. Поглощенный водород может присутствовать в атомной или молекулярной форме. Независимо от формы, атомы или молекулы объединяются в малые пузыри на границах зерен металла. Эти пузыри действуют как концентраторы давления, нарастая давление между зернами. Давление может возрастать до уровней, где металл теряет вязкость, вызывая формирование микротрещин внутри материала. Трещинование интергранулярное — трещина растет вдоль границ зерен. (Подробнее: Водородное пузырение и водородная ломкость: причины и меры предотвращения.)

Пример отказа из-за водородной ломкости показан на рисунке. Левое изображение — макроскопический вид сломанного хромированного стального болта. Правое — изображение растворительно-электронного микроскопа поверхности разлома. Фасетированный вид поверхности разлома указывает на интергранулярный разлом. Болт стал ломким во время хромирования электроосаждением.

Три необходимых фактора для отказа из-за водородной ломкости:

1. Восприимчивый материал.
2. Экспозиция среде, содержащей водород.
3. Наличие напряжения на растяжение из-за остаточного и/или приложенного напряжения.

Высокопрочные углеродистые и низколегированные стали — сплавы, наиболее уязвимые к водородной ломкости. Стал с предельной прочностью на разрыв менее 1000 МПа или твердостью менее 30 HRC обычно не считаются восприимчивыми. (Другой пример: Проблемы водородной ломкости с цинком: новые рекомендации обсуждены.)

Водород входит и диффундирует через металлическую поверхность при комнатной или повышенной температуре. Это может происходить во время различных производственных и сборочных операций или эксплуатации — везде, где металл контактирует с атомарным или молекулярным водородом.

Процессы, ведущие к водородной ломкости: фосфатирование, кислотное декапирование, электроосаждение и дуговая сварка. Во время этих процессов возможно поглощение водорода материалом. Например, при дуговой сварке водород выделяется из влаги (например, в покрытии сварных электродов; для минимизации используют специальные низководородные электроды для сварки высокопрочных сталей).

В эксплуатации водород может вводиться в металл в результате коррозии, химических реакций металла с кислотами или другими химикатами — особенно сероводородом при сульфидном напряженном коррозионном трещиновании.

Что касается напряжения для разлома, даже остаточное напряжение в компоненте может быть достаточным.

Меры для избежания водородной ломкости: снижение экспозиции водороду, а также отжиг после покрытия и других процессов, ведущих к поглощению водорода. Отжиг позволяет водороду диффундировать из металла. Если отжиг невозможен, то использование сталей низкой прочности и снижение остаточного и приложенного напряжений — возможные пути избежать разлома из-за водородной ломкости. Это могут быть лучшие опции для обстоятельств, приводящих к поглощению водорода пока компонент в эксплуатации.