Экспериментальное исследование механизма водородной хрупкости металлов с ОЦК решеткой

Приведены результаты исследований влияния водорода на механизм разрушения металла. В металле, содержащем диффузионный водород, в результате пластической деформации образуется остаточный водород, который связан со сформировавшимися дислокациями и микротрещинами. Наличие водорода, связанного с дислока...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :Автоматическая сварка
Дата:2012
Автори: Синюк, В.С., Походня, И.К., Пальцевич, А.П., Игнатенко, А.В.
Формат: Стаття
Мова:Російська
Опубліковано: Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2012
Теми:
Онлайн доступ:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101194
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:Экспериментальное исследование механизма водородной хрупкости металлов с ОЦК решеткой / В.С. Синюк, И.К. Походня, А.П. Пальцевич, А.В. Игнатенко // Автоматическая сварка. — 2012. — № 5 (709). — С. 12-16. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1859653864776531968
author Синюк, В.С.
Походня, И.К.
Пальцевич, А.П.
Игнатенко, А.В.
author_facet Синюк, В.С.
Походня, И.К.
Пальцевич, А.П.
Игнатенко, А.В.
citation_txt Экспериментальное исследование механизма водородной хрупкости металлов с ОЦК решеткой / В.С. Синюк, И.К. Походня, А.П. Пальцевич, А.В. Игнатенко // Автоматическая сварка. — 2012. — № 5 (709). — С. 12-16. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.
collection DSpace DC
container_title Автоматическая сварка
description Приведены результаты исследований влияния водорода на механизм разрушения металла. В металле, содержащем диффузионный водород, в результате пластической деформации образуется остаточный водород, который связан со сформировавшимися дислокациями и микротрещинами. Наличие водорода, связанного с дислокациями, приводит к локализации пластической деформации металла. Зарождение микротрещин происходит по сдвиговому механизму, а их дальнейший рост — за счет образования новых дефектов в вершине старой трещины и их слияния. The paper gives the results of investigation of hydrogen influence on metal fracture mechanism. In metal containing diffusible hydrogen, plastic deformation leads to formation of residual hydrogen, which is connected to formed dislocations and microcracks. Presence of hydrogen connected to dislocations, leads to localizing of plastic deformation of metal. Microcracks initiation occurs by the shear mechanism, and their further growth — due to formation of new defects in the existing crack tip and their coalescence.
first_indexed 2025-12-07T13:37:19Z
format Article
fulltext УДК 621.791:669.788+669.017:539.56:669.788 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМА ВОДОРОДНОЙ ХРУПКОСТИ МЕТАЛЛОВ С ОЦК РЕШЕТКОЙ* В. С. СИНЮК, инж., академик НАН Украины И. К. ПОХОДНЯ, А. П. ПАЛЬЦЕВИЧ, А. В. ИГНАТЕНКО, кандидаты техн. наук (Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины) Приведены результаты исследований влияния водорода на механизм разрушения металла. В металле, содержащем диффузионный водород, в результате пластической деформации образуется остаточный водород, который связан со сформировавшимися дислокациями и микротрещинами. Наличие водорода, связанного с дислокациями, приводит к локализации пластической деформации металла. Зарождение микротрещин происходит по сдвиговому механизму, а их дальнейший рост — за счет образования новых дефектов в вершине старой трещины и их слияния. К л ю ч е в ы е с л о в а : дуговая сварка, низкоуглеродистая сталь, водородная хрупкость, диффузионный и остаточный водород, водородная локализация пластичности При сварке конструкций из высокопрочных низ- колегированных сталей существует риск образо- вания индуцированных водородом холодных тре- щин, вследствие проявления такого физического явления, как водородная хрупкость (ВХ) металла. В основе механизма ВХ лежат взаимодействия водорода с дислокациями и изменение свойств дислокационных скоплений под действием водо- рода. Теоретическое рассмотрение механизма ВХ изложено в работе [1]. Настоящая работа посвя- щена экспериментальному исследованию меха- низма ВХ. В качестве материалов для исследований ис- пользовали ферритно-перлитную сталь ВСт3сп (рис. 1) следующего состава, мас. %: 0,12 C; 0,14 Si; 0,42 Mn; 0,1 Ni; 0,12 Cr; 0,022 S; 0,012 P. Образцы из нее отжигали при температуре 600°С. В первой серии экспериментов определяли ме- ханические свойства образцов из стали ВСт3сп, содержащих водород. Насыщение образцов водо- родом осуществлялось электролитическим путем в 5%-м растворе серной кислоты с добавкой 0,05 % тиосульфата натрия в течение 8…13 ч, плотность тока составляла 4 мА/см2. Повторная шлифовка образцов после наводороживания за- нимала не более 1 мин. До механических испы- таний образцы хранили в жидком азоте. Содер- жание диффузионного и остаточного водорода оп- ределяли хроматографическим методом [2]. Во второй серии экспериментов образцы из стали ВСт3сп растягивали до различной степени пластической деформации (10, 15 и 17 %), после чего водород удаляли путем нагрева образцов до 50 °С и выдерживали их в течение 7 сут. После удаления водорода образцы растягивали до раз- рушения. Образцы, не содержащие водород, под- вергали идентичному циклу испытаний. Для ме- ханических испытаний на одноосное растяжение использовали цилиндрические образцы длиной 30 мм с диаметром рабочей части 5 мм. Механические испытания на одноосное рас- тяжение и статический изгиб проводили на сер- вогидравлической машине «INSTRON-1251». Пе- ред испытанием образцы нагревали в спирте до комнатной температуры. Нагрев образца и пос- ледующая его установка в захватах вместе с креп- лением датчика деформации занимали не более 3 мин. Растяжение образцов происходило со ско- ростью деформации 1⋅10–3 с–1. Фрактографический анализ выполняли на рас- тровом электронном микроскопе JSM-35CF фир- мы «JEOL». Результаты механических испытаний на одно- осный разрыв в координатах условное напряже- ние σ – относительная деформация ε приведены * Работа выполнена при поддержке Государственно фон- да фундаментальных исследований Украины (грант № GP/F32/50 Президента Украины для поддержки молодых ученых). © В. С. Синюк, И. К. Походня, А. П. Пальцевич, А. В. Игнатенко, 2012 Рис. 1. Микроструктура (×500) стали ВСт3сп 12 5/2012 на рис. 2. После наводороживания и последующей дегазации механические свойства стали ВСт3сп восстанавливаются (кривые 1, 2 на рис. 2). Уве- личение содержания диффузионного водорода [H]диф приводит к разрушению металла при мень- шей степени пластической деформации (кривые 3, 4 на рис. 2). Разрушение металла, содержащего водород, происходит после того, как напряжения достигают значения временного сопротивления разрыву, т. е. при начале локализации пластичес- кой деформации в виде шейки. Наиболее чувс- твительными к ВХ являются показатели пластич- ности металла — относительное удлинение и су- жение. После механических испытаний образцы вы- держивали при комнатной температуре в течение 7 сут. Содержание остаточного водорода в раз- рушенном металле выявляли с помощью термо- десорбционного анализа. С этой целью вырезали образцы из области с равномерной пластической деформацией. Результаты анализа представлены на рис. 3. Первый пик в спектре термодесорбции соответствует водороду, связанному с дислока- циями [H]дисл, а второй — молекулярному водо- роду [H]мол, который находится в микротрещинах, о чем свидетельствует температура его десорбции. В процессе пластической деформации металла происходит зарождение новых дислокаций, кото- рые являются ловушками водорода. Скопление водорода на дислокациях облегчает их слияние Рис. 2. Влияние содержания диффузионного водорода [H]диф на разрушение образцов из стали ВСт3сп при одноосном растяжении: 1 — исходное состояние (ψ = 54 %); 2 — после наводораживания [H]диф ≈ 7 см3/100 г и дегазации (ψ = = 62 %); 3 — [H]диф = 6,5 см3/100 г (ψ = 23 %); 4 — [H]диф = = 8,5 см3/100 г (ψ = 15 %) Рис. 3. Скорость удаления остаточного водорода vН из стали ВСт3сп после разрушения образца ([H]диф = 8,5 см3/100 г) Рис. 4. Диаграммы растяжения образцов из стали ВСт3сп с разной предварительной деформацией: a — ε = 10 % (ψ[Н] = = 51 %, ψ = 62 %); б — ε = 15 % (ψН = 49 %, ψ = 57 %); в — ε = 17 % (ψ[Н] = 39 %, ψ = 62 %); (ψH, ψ — среднее относительное сужение образцов, соответственно содержа- щих и не содержащих водород): 1 — исходное состояние; 2 — содержание водорода 7 см3/100 г (после предваритель- ной деформации образцы дегазировали) 5/2012 13 [1] и приводит к зарождению микротрещин. При попадании водорода внутрь образовавшихся де- фектов, он молизуется. Для определения влияния водорода на меха- низм зарождения микротрещин образцы из стали ВСт3сп предварительно деформировали до отно- сительного удлинения 10, 15 и 17 %, а затем де- газировали, после чего происходила их последую- щая деформация до разрушения. Содержание диф- фузионного водорода в образцах после электроли- тического насыщения составило 7 см3/100 г. Тер- модесорбционный анализ показал, что после де- газации деформированных образцов из стали ВСт3сп при температуре 50 °С в течение 7 сут, водород десорбируется из них при температуре свыше 200 °С. Таким образом, водород, связан- ный с дислокациями, удалился в процессе дега- зации. Результаты механических испытаний при- ведены на рис. 4. После разгрузки и вылеживания при температуре 50 °С происходит деформацион- ное старение металла. Значение упрочнения не зависит от наличия водорода и составляет 50 МПа. При деформации до 10 % водород не оказывал существенного влияния на механичес- кие свойства образцов из стали ВСт3сп (см. рис. 4, а), то же имело место и при деформации 15 % (рис. 4, б). При деформации металла на уровне 17 % влияние последнего на механические свойс- тва металла значительно усиливается (рис. 4, в). На поверхности излома образцов, содержащих 7 см3/100 г водорода, после предварительной пластической деформации 17 % появилась мик- ротрещина, ориентированная под углом 45° к оси образца (рис. 5). В образцах, не содержащих во- дород, такие трещины не обнаружены. Для оценки влияния микротрещин, образовавшихся под дейс- твием водорода, на разрушение металла рассчи- тывали напряжение разрушения [3]. Для вычис- ления максимального напряжения в шейке образ- ца в момент разрушения SC использовали извес- тные зависимости Бриджмена [4] с учетом пред- ложенных Копельманом [5]: SC = SK 1 + ln (1 + η ⁄ 2) (1 + η ⁄ 2)ln(1 + η ⁄ 2) , где η = 0,92(e – 0,1); e = ln(1/(1 – ψ); SK — среднее напряжение в шейке в момент разрушения об- разца. Из рис. 6 видно, что с увеличением пред- варительной пластической деформации напряже- ние разрушения металла в исходном состоянии возрастает [6]. Это связано с тем, что микротре- щины, которые возникают в металле в результате пластической деформации и не приводят к раз- рушению в момент своего образования, при даль- нейшей пластической деформации затупляются [7]. При наличии диффузионного водорода в ме- талле имеет место обратная тенденция — нап- ряжение разрушения уменьшается с ростом пред- варительной пластической деформации. Это свидетельствует о том, что в металле, содержащем водород, при пластической деформации образо- вавшиеся микротрещины не затупляются, а про- должают расти. Пластическая деформация металла приводит к зарождению новых дислокаций, которые служат ловушками водорода. Наличие водорода на дис- Рис. 5. Микроструктура поверхности микротрещины сдвига в центре образца из стали ВСт3сп с содержанием водорода 7 см3/100 г после предварительной деформации 17 % Рис. 6. Влияние предварительной пластической деформации εп образцов из стали ВСт3сп на напряжение разрушения SC: 1 — исходное состояние; 2 — [H]диф = 7 см3/100 г (после предварительной деформации образцы дегазировали) Рис. 7. Схемы зарождения и роста трещины в металле, содержащем водород: а — образование систем скольжения при растяжении; б — зарождение микротрещины в плоскости скольжения; в — рост трещины за счет зарождения новых микротрещин в ее вершине (τ — касательное напряжение) 14 5/2012 локациях приводит к уменьшению силы оттал- кивания дислокаций и локализации пластической деформации [1]. Ключевым этапом механизма ВХ является слияние дислокаций в вершине трещины [8]. Схема зарождения и роста трещины при ис- пытании образца показана на рис. 7. Рост трещины по хрупкому и квазихрупкому механизму проис- ходит за счет зарождения новой микротрещины в вершине старой и последующем их слиянии. Дислокационная модель этого процесса в металле, не содержащем водород, рассмотрена в работе [9]. В металле, содержащем водород, при пластичес- кой деформации образовавшиеся микротрещины продолжают расти за счет зарождения новых де- фектов в вершине трещин (рис. 8, 9) [10]. Из изложенного выше можно определить, что механизм ВХ заключается в следующем. В ре- зультате пластической деформации металла об- разуются дислокации, которые являются ловуш- ками для диффузионного водорода и приводят к перераспределению последнего. Наличие водоро- да вокруг дислокаций приводит к их слиянию при меньшем внешнем напряжении, что на макроу- ровне проявляется в виде облегчения деформации сдвига и локализации пластической деформации. Дальнейший рост трещины происходит за счет зарождения новой микротрещины в вершине ста- рой в результате локализации здесь пластической деформации под влиянием водорода. Выводы 1. Термодесорбционным анализом установлено, что причиной водородного охрупчивания металла при пластической деформации является водород, связанный с дислокациями. 2. Наличие его на дислокациях приводит к об- легчению деформации сдвига и зарождению мик- ротрещины при меньшем внешнем напряжении, по сравнению с металлом, не содержащим водород. 3. Хрупкий рост трещины происходит за счет зарождения новой микротрещины в вершине старой в результате локализации пластической дефор- мации в вершине трещины под влиянием водорода. 1. Дислокационная модель водородной локализации плас- тичности металлов с ОЦК решеткой / А. В. Игнатенко, И. К. Походня, А. П. Пальцевич, В. С. Синюк // Автомат. cварка. — 2012. — № 3. — С. 22–27. 2. Пальцевич А. П. Хроматографический способ определе- ния содержания водорода в компонентах электродных покрытий // Там же. — 1999. — № 6. — С. 45–48. 3. Pokhodnya I. K., Shvachko V. I., Stepanyuk S. N. The evalu- ation methods of HSLA steels susceptibility to hydrogen em- brittlement // Proc. Intern. conf. on HSLA steels «High strength low alloy steels’2000». — Xi’an (China), 2000. — P. 453–458. 4. Бриджмен П. Исследование больших пластических де- формаций и разрыва. — М.: Изд-во иностр. лит., 1955. — 444 с. 5. Копельман Л. А. Сопротивляемость сварных узлов хруп- кому разрушению. — Л.: Машиностроение, 1978. — 232 с. Рис. 9. Образование микропоры на линии сдвига перед вер- шиной трещины в образце из стали IN903, содержащем водо- род Рис. 8. Распространение трещины в образцах из стали IN903 без водорода (а) и после его введения через 17 (б), 22 (в), 29 (г), 32 (д) и 39 с (е) 5/2012 15 6. Развитие и применение локального PROMETEY-подхо- да для прогнозирования хрупкого разрушения корпус- ных реакторных сталей / Б. З. Марголин, В. А. Швецова, Г. П. Карзов и др. // Вопр. материаловедения. — 2009. — № 3. — С. 290–314. 7. Котречко С. А., Мешков Ю. Я. Предельная прочность. — Киев: Наук. думка, 2008. — 296 с. 8. Gerberich W. W., Stauffer D. D., Sofronis P. A Coexistent view of hydrogen // Effects on mechanical behavior of crys- tals: HELP and HEDE effects of hydrogen on materials: Proc. Intern. hydrogen conf., Wyoming, Sept. 7–10, 2008 / Eds B. Somerday, P. Sofronis, R. Jones. — Ohio, USA: ASM Intern. Materials Park, 2009. — P. 38–45. 9. Владимиров В. И. Физическая природа разрушения ме- таллов. — М.: Металлургия, 1986. — 280 с. 10. Robertson I. M., Birnbaum H. K. Dislocation mobility and hydrogen // A brief rev. intern. conf. on fracture (ICF11), Turin, Italy, March 20–25, 2005. http://www.icf11.com/proceeding/EXTENDED/5759.pdf. The paper gives the results of investigation of hydrogen influence on metal fracture mechanism. In metal containing diffusible hydrogen, plastic deformation leads to formation of residual hydrogen, which is connected to formed dislocations and microcracks. Presence of hydrogen connected to dislocations, leads to localizing of plastic deformation of metal. Microcracks initiation occurs by the shear mechanism, and their further growth — due to formation of new defects in the existing crack tip and their coalescence. Поступила в редакцию 05.02.2012 МОДИФИКАЦИЯ МЕТАЛЛА ШВОВ НА СТАЛЯХ 14ХН3А И 20ХН3А С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ БУРИЛЬНЫХ ДОЛОТ Научно-исследовательская работа по указанной теме была завершена в 2011 г. в Институте электросварки им. Е. О. Патона (рук. темы — чл.-кор. НАНУ О. К. Назаренко) Традиционные стали 14ХНЗА и 20ХНЗА, которые применяются в конструкции шарошечных буровых долот, имеют ограниченную свариваемость, и свойства металла сварных соеди- нений на этих сталях в ряде случаев не отвечают условиям высокоскоростного бурения. При сочетании сталей 40ХН и 14ХНЗА в конструкции алмазных долот еще больше осложняется технологический процесс производства долот. С увеличением размеров долот и одновремен- но свариваемых толщин повышается вероятность образования мелких трещин в сварных соединениях, которые приводят к нарушению их гидроплотности и снижению срока эксплуа- тации. С целью повышения эксплуатационных характеристик сварных соединений разработаны технологии электронно-лучевой сварки с модифицированием металла сварных соединений. Предложена конструкция вставок-модификаторов, которая не нарушает качество сборки компонентов долота, не влияет на точность работы системы слежения за стыком и в то же время обеспечивает формирование швов без кристаллизационных трещин. Наиболее оптимальным материалом для модифицирования швов шарошечных долот оказалась нержа- веющая аустенитная сталь 10Х18Н10Т толщиной 0,2 мм, а для швов алмазных долот — вставки фольги циркония также толщиной 0,2 мм. Ширина и длина пластинок-модификаторов зависит от типа свариваемых долот и может изменяться в пределах 15…20 мм по ширине и 45…70 мм по длине. В соответствии с разработанными технологиями проведены проектно-конструкторские разработки специализированной оснастки для установки ЭЛС буровых долот. Отработано программное обеспечение ЭЛС долот с модифицированием сварных швов. Выполнены комплексные исследования качества и свойств сварных соединений буровых долот при ЭЛС, включая использование элементов-модификаторов для повышения прочнос- ти и предупреждения кристаллизационного растрескивания соединений. Прочность сое- динений на разрыв при этом составила 95…98% временного сопротивления разрыву основ- ного металла. Все технологические, конструкторские разработки прошли проверку при изго- товлении опытной партии натурных изделий, которые были переданы для испытаний в условиях реальной эксплуатации буровых долот. 16 5/2012
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-101194
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 0005-111X
language Russian
last_indexed 2025-12-07T13:37:19Z
publishDate 2012
publisher Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
record_format dspace
spelling Синюк, В.С.
Походня, И.К.
Пальцевич, А.П.
Игнатенко, А.В.
2016-05-31T18:51:16Z
2016-05-31T18:51:16Z
2012
Экспериментальное исследование механизма водородной хрупкости металлов с ОЦК решеткой / В.С. Синюк, И.К. Походня, А.П. Пальцевич, А.В. Игнатенко // Автоматическая сварка. — 2012. — № 5 (709). — С. 12-16. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.
0005-111X
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101194
621.791:669.788+669.017:539.56:669.788
Приведены результаты исследований влияния водорода на механизм разрушения металла. В металле, содержащем диффузионный водород, в результате пластической деформации образуется остаточный водород, который связан со сформировавшимися дислокациями и микротрещинами. Наличие водорода, связанного с дислокациями, приводит к локализации пластической деформации металла. Зарождение микротрещин происходит по сдвиговому механизму, а их дальнейший рост — за счет образования новых дефектов в вершине старой трещины и их слияния.
The paper gives the results of investigation of hydrogen influence on metal fracture mechanism. In metal containing diffusible hydrogen, plastic deformation leads to formation of residual hydrogen, which is connected to formed dislocations and microcracks. Presence of hydrogen connected to dislocations, leads to localizing of plastic deformation of metal. Microcracks initiation occurs by the shear mechanism, and their further growth — due to formation of new defects in the existing crack tip and their coalescence.
Работа выполнена при поддержке Государственно фонда фундаментальных исследований Украины (грант № GP/F32/50 Президента Украины для поддержки молодых ученых).
ru
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
Автоматическая сварка
Научно-технический раздел
Экспериментальное исследование механизма водородной хрупкости металлов с ОЦК решеткой
Experimental investigation of hydrogen brittleness mechanism of BCC metals
Article
published earlier
spellingShingle Экспериментальное исследование механизма водородной хрупкости металлов с ОЦК решеткой
Синюк, В.С.
Походня, И.К.
Пальцевич, А.П.
Игнатенко, А.В.
Научно-технический раздел
title Экспериментальное исследование механизма водородной хрупкости металлов с ОЦК решеткой
title_alt Experimental investigation of hydrogen brittleness mechanism of BCC metals
title_full Экспериментальное исследование механизма водородной хрупкости металлов с ОЦК решеткой
title_fullStr Экспериментальное исследование механизма водородной хрупкости металлов с ОЦК решеткой
title_full_unstemmed Экспериментальное исследование механизма водородной хрупкости металлов с ОЦК решеткой
title_short Экспериментальное исследование механизма водородной хрупкости металлов с ОЦК решеткой
title_sort экспериментальное исследование механизма водородной хрупкости металлов с оцк решеткой
topic Научно-технический раздел
topic_facet Научно-технический раздел
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101194
work_keys_str_mv AT sinûkvs éksperimentalʹnoeissledovaniemehanizmavodorodnoihrupkostimetallovsockrešetkoi
AT pohodnâik éksperimentalʹnoeissledovaniemehanizmavodorodnoihrupkostimetallovsockrešetkoi
AT palʹcevičap éksperimentalʹnoeissledovaniemehanizmavodorodnoihrupkostimetallovsockrešetkoi
AT ignatenkoav éksperimentalʹnoeissledovaniemehanizmavodorodnoihrupkostimetallovsockrešetkoi
AT sinûkvs experimentalinvestigationofhydrogenbrittlenessmechanismofbccmetals
AT pohodnâik experimentalinvestigationofhydrogenbrittlenessmechanismofbccmetals
AT palʹcevičap experimentalinvestigationofhydrogenbrittlenessmechanismofbccmetals
AT ignatenkoav experimentalinvestigationofhydrogenbrittlenessmechanismofbccmetals