Взаимодействие водорода с деформированным металлом
В работе исследованы особенности формирования остаточного водорода в результате пластической деформации металла, содержащего диффузионный водород. Характерной особенностью этого процесса является увеличение содержания
 водорода, связанного с дислокациями, [H]деф. Об этом свидетельствует поя...
Saved in:
| Published in: | Автоматическая сварка |
|---|---|
| Date: | 2014 |
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2014
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102091 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Взаимодействие водорода с деформированным металлом / А.П. Пальцевич, В.С Синюк., А.В. Игнатенко .// Автоматическая сварка. — 2014. — № 6-7 (733). — С. 34-37. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860256310546661376 |
|---|---|
| author | Пальцевич, А.П. Синюк, В.С. Игнатенко, А.В. |
| author_facet | Пальцевич, А.П. Синюк, В.С. Игнатенко, А.В. |
| citation_txt | Взаимодействие водорода с деформированным металлом / А.П. Пальцевич, В.С Синюк., А.В. Игнатенко .// Автоматическая сварка. — 2014. — № 6-7 (733). — С. 34-37. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Автоматическая сварка |
| description | В работе исследованы особенности формирования остаточного водорода в результате пластической деформации металла, содержащего диффузионный водород. Характерной особенностью этого процесса является увеличение содержания
водорода, связанного с дислокациями, [H]деф. Об этом свидетельствует появление пика в спектре термодесорбции с
максимальной скоростью удаления при температуре 150…170 °С, а также увеличение [H]деф при увеличении степени
пластической деформации. Также экспериментально показано, что с течением длительного времени хранения деформированных образцов при комнатной температуре наблюдается уменьшение [H]деф, что подтверждает обратимый характер
дислокаций как ловушек водорода. Величина коэффициента диффузии водорода в пластически деформированном металле шва определяется взаимодействием водорода с дислокациями и на три порядка меньше, чем для недеформированного металла. Как показали эксперименты, с повышением прочности металла величина пластической деформации, при
которой происходит разрушение, уменьшается под действием диффузионного водорода. При этом содержание [H]деф в
момент разрушения также значительно уменьшается с повышением прочности металла.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:50:09Z |
| format | Article |
| fulltext |
34 6-7/2014
Конференция «Сварочные материалы»
УДК 621.791.052:620.192.47
вЗаимОДействие вОДОрОДа
с ДеФОрмирОванным металлОм
А. П. ПАЛЬЦЕВИЧ, В. С. СИНЮК, А. В. ИГНАТЕНКО
иэс им. е. О. патона нанУ. 03680, г. Киев-150, ул. боженко, 11. е-mail: synyukv@gmail.com
в работе исследованы особенности формирования остаточного водорода в результате пластической деформации метал-
ла, содержащего диффузионный водород. характерной особенностью этого процесса является увеличение содержания
водорода, связанного с дислокациями, [H]деф. Об этом свидетельствует появление пика в спектре термодесорбции с
максимальной скоростью удаления при температуре 150…170 ос, а также увеличение [H]деф при увеличении степени
пластической деформации. также экспериментально показано, что с течением длительного времени хранения деформи-
рованных образцов при комнатной температуре наблюдается уменьшение [H]деф, что подтверждает обратимый характер
дислокаций как ловушек водорода. величина коэффициента диффузии водорода в пластически деформированном ме-
талле шва определяется взаимодействием водорода с дислокациями и на три порядка меньше, чем для недеформирован-
ного металла. Как показали эксперименты, с повышением прочности металла величина пластической деформации, при
которой происходит разрушение, уменьшается под действием диффузионного водорода. при этом содержание [H]деф в
момент разрушения также значительно уменьшается с повышением прочности металла. библиогр. 12, табл. 3, рис. 5.
К л ю ч е в ы е с л о в а : диффузионный водород, остаточный водород, деформационный водород, пластическая де-
формация, термодесорбционный анализ водорода
поведение водорода в металлах рассматривают
обычно с точки зрения его растворимости, диф-
фузии и взаимодействия с дефектами структуры
[1, 2]. Одним из несовершенств кристаллического
строения металла сварных швов и сталей явля-
ются дислокации, представляющие собой линей-
ные дефекты кристаллической структуры [3, 4]. в
отожженных кристаллах содержится от 104 до 106
дислокаций на 1см2. пластическая деформация
кристаллических материалов осуществляется пу-
тем зарождения и движения дислокаций, при этом
их плотность возрастает до 1010…1012 см-2 [5]. в
железе и сталях под влиянием полей напряжения
дислокаций происходит закрепление и перерас-
пределение атомов внедрения (водорода, углеро-
да, азота), среди которых водород имеет наимень-
шую энергию связи и наибольший коэффициент
диффузии [3, 6–8]. поэтому на образовавшихся
«свежих» дислокациях [8] в результате пластиче-
ской деформации водород закрепляется первым.
при дуговой сварке сталей происходит погло-
щение водорода металлом сварочной ванны. Для
высокопрочных сталей актуальной задачей яв-
ляется предупреждение образования холодных
трещин [9]. механизм образования трещин во
многих случаях связывают со взаимодействием
водорода с дислокационной структурой металла
швов и околошовной зоны, обусловленной термо-
деформационным циклом сварки. в то же время
при наличии теоретических предпосылок связи
водорода с дислокациями и его роли в образова-
нии холодных трещин недостаточно эксперимен-
тальных данных, указывающих на характерные
особенности взаимодействия водорода с дислока-
циями в сталях и сварных швах. поэтому настоя-
щая работа посвящена исследованию взаимодей-
ствия водорода с пластически деформированным
металлом сварных швов.
в качестве материала для исследований ис-
пользовали сталь вст3сп, а также металл шва,
полученный в результате однопроходной сварки
низководородными электродами УОни-13/55 и
опытными электродами ип (табл. 1).
© а. п. пальцевич, в. с. синюк, а. в. игнатенко, 2014
Т а б л и ц а 1 . Химический состав экспериментальных материалов, мас. %
материал с si Mn s P Cr Ni ti Mo V Al
сталь вст3сп 0,12 0,139 0,37 0,022 0,012 0,12 0,1 - - - -
металл шва (УОни-13/55)* 0,062 0,274 0,96 0,008 0,0019 - - 0,024 - - -
металл шва (ип)* 0,04 0,270 0,98 0,007 0,015 0,88 2,36 0,005 0,45 0,18 0,007
* химический состав определялся спектральным анализом на многослойной наплавке.
356-7/2014
Процессы дуговой сварки. Металлургия
Для определения влияния холодной пластиче-
ской деформации на поведение водорода в метал-
ле однослойного шва сравнивали его состояние
остаточного водорода после удаления [Н]диф в де-
формированном и недеформированном образцах.
Деформацию образцов, которые представляли со-
бой наплавленный валик на заготовку с размерами
10×15×45 мм в тисках с медными водоохлаждае-
мыми губками, выполняли изгибом в оправке спу-
стя 2…5 мин после охлаждения в воде. Величину
пластической деформации в центральной части
шва задавали радиусом кривизны оправок. После
хранения в течение 5 сут при комнатной темпера-
туре из верхней части наплавленного металла вы-
резали образцы с размерами 15×4×1 мм. Измере-
ние содержания остаточного водорода выполняли
при помощи термодесорбционного анализа (ТДА)
[10], усовершенствованного для измерения содер-
жания фракций водорода в металле, выделяющих-
ся в процессе нагрева до 900 oС с регулируемой
скоростью, которая в процессе анализа составляла
5 оС/мин.
Результаты ТДА недеформированного и дефор-
мированного изгибом на 6 % металла шва, наплав-
ленных электродами ИП (табл. 1), представлены на
рис. 1. По приведенным данным видно, что в спек-
тре ТДА обоих образцов есть остаточный водород,
который начинает удаляться при достижении тем-
пературы около 500 оС. Для деформированного
образца характерным являет-
ся наличие пика водорода
[Н]деф с температурой макси-
мума 150…170 оС, причина
появления которого обусловле-
на связью водорода с дислока-
ционной структурой деформи-
рованного металла, из которой
он удаляется при нагреве. Та-
кой же пик водорода при ТДА
из чистого железа после тер-
мического насыщения, холод-
ной пластической деформации
и удаления диффузионного водорода был получен
в работе [11].
Влияние степени пластической деформации
металла однослойного шва, выполненного элек-
тродами УОНИ-13/55, на перераспределение во-
дорода показано на рис. 2. По представленным
данным видно, что с уменьшением степени пла-
стической деформации снижается концентрация
водорода в деформированном металле [Н]деф.
Дислокации относятся к обратимым ловуш-
кам водорода из-за низкой энергии связи [3, 6, 7].
В этом случае при десорбции диффузионного во-
дорода из образца водород, удерживаемый дисло-
кациями, должен переходить в кристаллическую
решетку и, таким образом, концентрация [H]деф
должна снижаться. С целью проверки уменьше-
ния концентрации [H]деф серия сварных образцов,
выполненных электродами УОНИ-13/55, была де-
формирована на 6 % и находилась в лаборатор-
ном помещении при Т = 16…25 оС. Через проме-
жутки времени, указанные на рис. 3, из сварных
образцов вырезали образцы и выполняли ТДА
для определения концентрации [H]деф. Наблюда-
ется снижение концентрации водорода от 1,4 до
0,2 см3/100 г в деформированных швах в течение
длительного времени (рис. 3). Особенностью это-
го снижения является смещение максимума пика
удаления [H]деф от 120 к 170 оС. Таким образом,
Рис. 1. Термодесорбция остаточного водорода из деформированного и недеформиро-
ванного металла шва: 1 — образец без деформации; 2 — образец с деформацией 6 %
Рис. 2. Влияние степени пластической деформации на содер-
жание [H]деф
Рис. 3. Термодесорбция водорода из образцов после сварки:
1 — через 5 сут; 2 — 64; 3 — 95; 4 — 124
36 6-7/2014
Конференция «Сварочные материалы»
при комнатной температуре происходит удаление
водорода из дислокационной структуры деформи-
рованного металла.
Для исследования влияния пластической дефор-
мации на диффузию водорода при комнатной тем-
пературе использовали цилиндрические образцы,
полученные отбором проб металла из сварочной
ванны в кварцевую трубку при сварке электродами
УОНИ-13/55 диаметром 5 мм. Исходный образец
диаметром 4,8 мм и длиной 15 мм деформировали
плющением (деформация около 30 %) и обтачивали
до цилиндрической формы. Для проведения опытов
применяли камеру, которая позволяла собирать из
образца выделяющийся водород примерно до 16 ч
для одного цикла измерения, что позволило увели-
чить чувствительность измерения. Сравнение кине-
тики удаления водорода при комнатной температуре
для деформированного и недеформированного об-
разца приведено на рис. 4.
ТДА образцов после окончания этапа измере-
ния кинетики удаления водорода показал, что в
деформированном образце присутствует [H]деф
в количестве 0,6 мл/100 г с максимальной скоро-
стью удаления при Т = 150 оС, а в недеформиро-
ванном образце [H]деф отсутствует. В пластически
деформированном металле практически весь во-
дород связан с дислокационной структурой. Для
того, чтобы атом водорода смог выйти из метал-
ла, ему сначала необходимо преодолеть энергети-
ческий барьер и оторваться от удерживающей его
дислокации. Поэтому в деформированном метал-
ле значение коэффициента диффузии определяет-
ся связью водорода с дислокациями и составляет
3,2∙10-8 см2/с. Для недеформированного металла
величина эффективного коэффициента диффузии
в начале дегазации составляет 10-5 см2/с,
а после удаления 90 % диффузионно-
го водорода эта величина постепенно
уменьшается до 3∙10-8 см2/с.
Влияние водорода на разрушение ста-
ли ВСт3сп и металла шва, полученного
переплавом опытного электрода ИП в
медный водоохлаждаемый кокиль, опре-
деляли по испытаниям на одноосное
растяжение предварительно наводорожен-
ных образцов на сергвогидравлической
машине «ІNSTRON-1251» со скоростью
деформации 10-3 с -1. Насыщение образцов
водородом осуществлялось электролити-
чески в 5 %-м растворе серной кислоты с
добавкой 0,05 % тиосульфата натрия при
плотности тока 10 мА/см2 в течение че-
тырех часов. Результаты механических
испытаний приведены в табл. 2. После
механических испытаний [H]диф из раз-
рушенных образцов удалялся при ком-
натной температуре в течение пяти суток и затем
проводился ТДА (рис. 5). По приведенным дан-
ным видно, что разрушение металла высокопроч-
ного шва, содержащего водород, происходит при
значительно меньшей величине пластической де-
формации, чем стали ВСт3сп. При этом содержа-
ние [H]деф в момент разрушения для высокопроч-
ного металла шва заметно ниже, чем для стали
ВСт3сп. При разрушении образца стали ВСт3сп
образуется водород, связанный с пластической
деформацией, содержание которого составляет
[H]деф = 1,2 см3/100 г. При этом 0,65 см3/100 г во-
дорода содержится на дислокациях (пик 150 оС), а
0,55 см3/100 г — в молекулярном виде в микропу-
стотах (пик 250 оС) [12].
Структура и свойства пластически деформиро-
ванных сталей восстанавливаются нагревом при
0,4…0,5 Тпл (рекристаллизационный отжиг). Тер-
мообработка до указанных температур влияет на
Таблица. 2. Механические свойства экспериментальных материалов
Материал σ0,2,
МПа
σв,
МПа
δ,
%
ψ,
%
[H]диф,
см3/100 г
[H]деф,
см3/100 г
Сталь ВСт3сп
270 420 33,4 54 0 0
250 420 15,6 15 8,5 1,2
Металл шва (ИП)
670 930 15,3 55 0 0
720 830 0,7 1 8,0 0,15
Рис. 4. Кинетика удаления водорода из деформированного (1)
и недеформированного (2) образцов
Таблица 3. Влияние термообработки деформированного металла шва
(УОНИ-13/55) на электролитическое насыщение водородом
Номер
опыта
Состояние
образца
Термо-
обработ-
ка*, °С
Содержа-
ние [Н]диф,
мл/100г
Содержа-
ние [Н]дисл,
мл/100 г
1 Недеформированное Без т. о. 2,2…3,0 0
2
Деформированное
16 %
20 7,4…7,7 0,2
3 -»- 950 4,2 0
4 -»- 850 2,3 0
5 -»- 700 4,3 0
6 -»- 550 8,4 0
7 -»- 400 7,0 0,2
* Длительность термообработки 0,5 ч.
376-7/2014
Процессы дуговой сварки. Металлургия
дислокационную структуру [8] и может влиять на
ее взаимодействие с растворенным водородом. в
связи с этим были проведены исследования вли-
яния температуры обработки деформированного
металла шва на его взаимодействие с растворен-
ным водородом.
в качестве образцов металла использовали од-
нослойные швы на стали вст3сп, наплавленные
электродами УОни-13/55, которые вылеживались
после сварки при Т = 20…25 ос в течение меся-
ца и затем деформировались изгибом примерно
на 16% . из верхнего слоя металла шва выреза-
ли образцы размерами 15×5×1 мм, которые термо-
обрабатывали в диапазоне температур 20…950 ос
в среде аргона и затем электролитически наводора-
живали по приведенной выше методике. после на-
водораживания измеряли содержание [H]диф при
Т = 20…25 ос хроматографическим методом. по-
сле окончания десорбции [H]диф выполняли тДа
[H]ост. результаты опытов приведены в табл. 3. из
приведенных данных видно, что термообработка
образцов при Т > А3 (950 ос) и ниже А1 включая
550 ос устраняет дислокационную структуру, спо-
собную взаимодействовать с растворенным водо-
родом, за счет снижения плотности дислокаций и,
возможно, также образования облаков Коттрелла
атомами азота и углерода, имеющими большую
энергию связи, чем водород. при температурной
обработке при 400 ос и ниже способность дисло-
кационной структуры взаимодействовать с водо-
родом в процессе электролитического насыще-
ния еще сохраняется. таким образом, температура
термообработки, при которой происходит изме-
нение влияния дислокационной структуры на по-
глощение водорода, совпадает с температурой ре-
кристаллизационной обработки деформированной
стали.
Выводы
экспериментально установлено взаимодействие
растворенного водорода с дислокационной струк-
турой, образующейся в результате пластической
деформации сталей и сварных швов. характерная
температура удаления фракции водорода, связанной
с дислокационной структурой 100…200 ос с макси-
мальной скоростью удаления при 150…170 ос.
содержание в металле водорода, связанного с
дислокациями, непостоянно и снижается со вре-
менем при комнатной температуре, что свидетель-
ствует об обратимом характере дислокаций как
ловушек водорода.
Удаление водорода из кристаллической решет-
ки и дислокаций является общим процессом, ха-
рактеризующимся переменной величиной коэф-
фициента диффузии. Коэффициент диффузии,
который определяется связью водорода с дисло-
кациями, на три порядка меньше коэффициента
диффузии водорода в кристаллической решетке.
с повышением прочности металла величина
пластической деформации, при которой проис-
ходит разрушение, уменьшается под действием
диффузионного водорода. при этом содержание
водорода, связанного с дислокациями, в момент
разрушения также значительно уменьшается с по-
вышением прочности металла.
1. Гельд П. В., Рябов Р. А. водород в металлах и сплавах. –
м.: металлургия, 1974. – 272 с.
2. Гельд П. В., Рябов Р. А., Кодес Е. С. водород и несовер-
шенства структуры металла. – м.: металлургия, 1979. –
272 с.
3. Новиков И. И. Дефекты кристаллического строения ме-
таллов. – м.: металлургия, 1975. – 208 с.
4. роль дислокаций в упрочнении и разрушении металлов
/ в. с. иванова, л. К. Городиенко, в. н. Геминов и др. /
под ред. в. с. ивановой – м.: наука, 1965. – 180 с.
5. Гуляев А. П. металловедение. – 5-е изд. – м.: металлур-
гия, 1978. – 647 с.
6. Колачев Б. А. водородная хрупкость металлов. – м.: ме-
таллургия, 1985. – 216 с.
7. Hydrogen trapping in ferritic steel weld metal / I. Maroeff,
D. L. Olson, M Eberhart, G. R. Edwards // Intern. Materials
Reviews. – 2002. – 47, № 4. – P.191–223.
8. Коттерилл П. водородная хрупкость металлов. Успехи
физики металлов. – т.9. – м.: металлургиздат, 1963. –
117 с.
9. Металлургия дуговой сварки. взаимодействие металла с
газами / и. К. походня, и. р. Явдощин, а. п. пальцевич и
др. – Киев: наук. думка, 2004. – 445 с.
10. Пальцевич А. П. хроматографический способ определе-
ния содержания водорода в компонентах электродных
покрытий // автомат. сварка. – 1999. – № 6. – с. 45–48.
11. Choo W. Y., Jai Yong Lee. thermal analysis of trapped hy-
drogen in pure iron // Metallurgical transaction A. – 1982.
– Vol. 13. – P. 135–140.
12. Moreton G., Coe F. R., Boniszewski T. Part1. Hydrogen
movement in weld metal // Metal Constraction and British
Welding J. – 1971. – 3, № 5. – P. 185–187.
поступила в редакцию 25.04.2014
рис. 5. спектр термодесорбции остаточного водорода из
образцов после разрушения: 1 — сталь вст3сп, [H]деф =
= 1,2 см3/100 г; 2 — металл шва ип, [H]деф = 0,15 см3/100 г
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-102091 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0005-111X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:50:09Z |
| publishDate | 2014 |
| publisher | Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Пальцевич, А.П. Синюк, В.С. Игнатенко, А.В. 2016-06-10T12:26:23Z 2016-06-10T12:26:23Z 2014 Взаимодействие водорода с деформированным металлом / А.П. Пальцевич, В.С Синюк., А.В. Игнатенко .// Автоматическая сварка. — 2014. — № 6-7 (733). — С. 34-37. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102091 621.791.052:620.192.47 В работе исследованы особенности формирования остаточного водорода в результате пластической деформации металла, содержащего диффузионный водород. Характерной особенностью этого процесса является увеличение содержания
 водорода, связанного с дислокациями, [H]деф. Об этом свидетельствует появление пика в спектре термодесорбции с
 максимальной скоростью удаления при температуре 150…170 °С, а также увеличение [H]деф при увеличении степени
 пластической деформации. Также экспериментально показано, что с течением длительного времени хранения деформированных образцов при комнатной температуре наблюдается уменьшение [H]деф, что подтверждает обратимый характер
 дислокаций как ловушек водорода. Величина коэффициента диффузии водорода в пластически деформированном металле шва определяется взаимодействием водорода с дислокациями и на три порядка меньше, чем для недеформированного металла. Как показали эксперименты, с повышением прочности металла величина пластической деформации, при
 которой происходит разрушение, уменьшается под действием диффузионного водорода. При этом содержание [H]деф в
 момент разрушения также значительно уменьшается с повышением прочности металла. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Процессы дуговой сварки. Металлургия Взаимодействие водорода с деформированным металлом Interaction of hydrogen with wrought metal Article published earlier |
| spellingShingle | Взаимодействие водорода с деформированным металлом Пальцевич, А.П. Синюк, В.С. Игнатенко, А.В. Процессы дуговой сварки. Металлургия |
| title | Взаимодействие водорода с деформированным металлом |
| title_alt | Interaction of hydrogen with wrought metal |
| title_full | Взаимодействие водорода с деформированным металлом |
| title_fullStr | Взаимодействие водорода с деформированным металлом |
| title_full_unstemmed | Взаимодействие водорода с деформированным металлом |
| title_short | Взаимодействие водорода с деформированным металлом |
| title_sort | взаимодействие водорода с деформированным металлом |
| topic | Процессы дуговой сварки. Металлургия |
| topic_facet | Процессы дуговой сварки. Металлургия |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102091 |
| work_keys_str_mv | AT palʹcevičap vzaimodeistvievodorodasdeformirovannymmetallom AT sinûkvs vzaimodeistvievodorodasdeformirovannymmetallom AT ignatenkoav vzaimodeistvievodorodasdeformirovannymmetallom AT palʹcevičap interactionofhydrogenwithwroughtmetal AT sinûkvs interactionofhydrogenwithwroughtmetal AT ignatenkoav interactionofhydrogenwithwroughtmetal |