Водородная хрупкость ОЦК-сплавов железа

Представлены результаты экспериментального исследования природы обратимой водородной хрупкости ОЦК-сплавов железа - конструкционных сталей. Для анализа состояния водорода использован метод масс-спектрометрии вторичных ионов. Разработан физически обоснованный критерий определения степени водородного...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Veröffentlicht in:	Вопросы атомной науки и техники
Datum:	2000
1. Verfasser:	Швачко, В.И.
Format:	Artikel
Sprache:	Russisch
Veröffentlicht:	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2000
Schlagworte:	Физика и технология конструкционных материалов
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/78237
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Водородная хрупкость ОЦК-сплавов железа / В.И. Швачко // Вопросы атомной науки и техники. — 2000. — № 5. — С. 79-86. — Бібліогр.: 35 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1859875691491753984
author	Швачко, В.И.
author_facet	Швачко, В.И.
citation_txt	Водородная хрупкость ОЦК-сплавов железа / В.И. Швачко // Вопросы атомной науки и техники. — 2000. — № 5. — С. 79-86. — Бібліогр.: 35 назв. — рос.
collection	DSpace DC
container_title	Вопросы атомной науки и техники
description	Представлены результаты экспериментального исследования природы обратимой водородной хрупкости ОЦК-сплавов железа - конструкционных сталей. Для анализа состояния водорода использован метод масс-спектрометрии вторичных ионов. Разработан физически обоснованный критерий определения степени водородного охрупчивания и способ его экспериментального измерения. Предложена модель водородной хрупкости, основанная на концепции микроскола. Показано, что обратимая водородная хрупкость ОЦК-сплавов железа обусловлена локализацией отрицательного заряда на атомах водорода, адсорбированных поверхностью идеально острой зародышевой микротрещины. В результате этого облегчается разрыв межатомных связей в ее вершине и тем самым снижается величина критического напряжения, необходимого для потери устойчивости микротрещины и ее дальнейшего автокаталитического распространения в поле напряжений.
first_indexed	2025-12-07T15:50:55Z
format	Article
fulltext	УДК 669.018 ВОДОРОДНАЯ ХРУПКОСТЬ ОЦК-СПЛАВОВ ЖЕЛЕЗА В.И. Швачко Институт электросварки им. Е.О.Патона Национальной академии наук Украины г.Киев. Украина; E-mail: pokhod@paton.freenet.kiev.ua; тел.: (044) 261 - 51 - 34 Представлены результаты экспериментального исследования природы обратимой водородной хрупкости ОЦК-сплавов железа - конструкционных сталей. Для анализа состояния водорода использован метод масс- спектрометрии вторичных ионов. Разработан физически обоснованный критерий определения степени водо- родного охрупчивания и способ его экспериментального измерения. Предложена модель водородной хрупко- сти, основанная на концепции микроскола. Показано, что обратимая водородная хрупкость ОЦК-сплавов же- леза обусловлена локализацией отрицательного заряда на атомах водорода, адсорбированных поверхностью идеально острой зародышевой микротрещины. В результате этого облегчается разрыв межатомных связей в ее вершине и тем самым снижается величина критического напряжения, необходимого для потери устойчивости микротрещины и ее дальнейшего автокаталитического распространения в поле напряжений. ВВЕДЕНИЕ Большинство конструкционных сталей — ОЦК- сплавы железа. Явление водородной деградации их эксплуатационных свойств, обнаруженное более ста лет назад, в последние десятилетия привлекает осо- бое внимание [1-5]. Объясняется это тем, что при- месь водорода, попадающего в сталь при выплавке, во время различных процессов металлообработки или при эксплуатации стальных изделий, создает се- рьезные технологические проблемы. Наиболее острые из них — образование флокенов и расслое- ний в отливках, поковках и профильном прокате; индуцированные водородом холодные трещины при электро-дуговой сварке; стресс-коррозия оболочек подземных трубопроводов; водородное разрушение оборудования в химической, нефтехимической про- мышленности, в энергетике, аэрокосмической тех- нике, в других отраслях современной и перспектив- ной техники [3]. Но несмотря на интенсивные иссле- дования, водородная деградация все еще остается нерешенной проблемой физики металлов, теорети- ческого и практического материаловедения [5]. Среди всего многообразия форм негативного влияния водорода [1] наибольший интерес как в научном, так и в прикладном аспектах вызывает т. н. обратимая водородная хрупкость (ОВХ). Именно она считается “истинной” водородной хрупкостью [6]. Целью данной работы было развитие представ- лений о физической природе ОВХ конструкционных сталей — ОЦК-сплавов железа. Для этого исполь- зованы результаты собственных исследований, но- вые фундаментальные положения физики разруше- ния металлов и данные из литературных источни- ков. 1.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЯВЛЕНИЯ ОВХ Экспериментально установлены основные зако- номерности ОВХ: 1) растворимость водорода в ста- ли зависит от температуры и подчиняется закону Сивертса; 2) коэффициент диффузии водорода в ОЦК- сплавах железа аномально высокий по срав- нению со всеми другими примесями; 3) растворен- ный водород, взаимодействуя с дефектами струк- туры металла, конденсируется в энергетических ло- вушках; 4) хрупкость максимально проявляется в ОЦК-сплавах железа — ферритных сталях и в зна- чительно меньшей степени — в аустенитных; 5) при повышении концентрации водорода его влияние усиливается, достигая определенного уровня; 6) сильный эффект охрупчивания может возникать при следовых (меньше единицы ppm) концентрациях во- дорода; 7) хрупкость обратима - после удаления во- дорода из металла механические свойства полно- стью восстанавливаются; 8) ОВХ становится необ- ратимой при увеличении концентрации водорода выше некоторого критического уровня или при уве- личении длительности его взаимодействия с метал- лом; 9) чувствительность к ОВХ определяется мик- роструктурой стали; 10) степень охрупчивания зави- сит от величины, вида и распределения напряжений; 11) влияние водорода ослабляется с повышением скорости деформации; 12) хрупкость максимально проявляется при температуре металла, близкой к нормальной; 13) степеть охрупчивания зависит от концентрации углерода в металле; 14) концентра- торы напряжений значительно усиливают действие водорода. Как видно из вышеизложенного, ОВХ - весьма сложное и специфическое явление. Прежде всего обращают на себя внимание такие особенности, как обратимость действия водорода, влияние сверхниз- ких его концентраций, аномальные зависимости сте- пени охрупчивания от температуры и скорости де- формации. Для объяснения ОВХ предложены многочисленные гипотезы и теоретические концеп- ции. При их построении использовались различные факторы: давление водорода и других газов в мик- ропустотах; особенности растворимости водорода; диффузионные аномалии; взаимодействие водорода с дефектами структуры металла; воздействие водо- рода на силы связи атомов железа в кристалличе- ской решетке; химическое взаимодействие с компо- нентами стали; адсорбционные явления; хемосорб- ция водорода на внутренних поверхностях [7,8]. Существующие гипотезы ВХ можно разделить на несколько групп [8]. В первой из них основным фактором ВХ считается высокое давление водорода во внутренних микропустотах. Повышение давления при молизации водорода легко наблюдать на опыте. Однако этим эффектом нельзя объяснить целый ряд известных особенностей ВХ, например, сильное влияние сверхнизких концентраций водорода в ме- талле, когда критическое давление не может быть достигнуто. Вторая группа гипотез основана на представле- нии о снижение т.н. когезионной прочности - ослаб- лении водородом, растворенным в виде протонов, межатомных связей в металле. Но декогезионное действие водорода сложно подтвердить прямыми экспериментами. Кроме того, ВХ наблюдается при средней по макрообъему атомной концентрации во- дорода порядка единиц p.p.m., что с очевидностью свидетельствует о несостоятельности декогезионной гипотезы. Третья группа гипотез базируется на представлении о снижении поверхностной энергии внутри трещи- ны при адсорбции водорода, что должно приводить к падению разрушающего напряжения. Термодина- мические оценки подтверждают сильный адсорбци- онный эффект водорода. Однако такие представле- ния не получили развития при объяснении ВХ в свя- зи с недостатками теории Гриффитса, которая пред- полагает наличие готовых трещин в исходном мате- риале, не объясняя их происхождение. Четвертая группа включает гипотезы, в которых основным эффектом считается перенос водорода дислокациями: при их накоплении у препятствий концентрация водорода становится достаточной для резкого ускорения разрушения по тем или иным фи- зическим механизмам. Основным аргументом в пользу этих представлений, служит то, что с их по- мощью, в отличие от всех других гипотез, удается объяснить температурную и деформационную ано- малии влияния водорода. Но при этом описывается только подготовительный этап охрупчивания и не раскрывается самое главное - механизм падения раз- рушающего напряжения. Пятую группу составляют гипотезы, в которых используются элементы как существующих, так и новых представлений. К ним относится дисло- кационно – декогезионная гипотеза. Предпола- гается, что декогезионное действие водорода локализовано в ядрах дислокаций, где возможна его повышенная концентрация. Декогезия нару- шает равновесие в дислокационных очагах предразрушения и тем самым облегчает заро- ждение трещины. Удается, т.о., преодолеть основное возражение против классического ва- рианта декогезионной гипотезы, связанное с ма- лой величиной средней атомной концентрации водорода. Однако механизму переноса водорода к месту появления трещины, в отличие от дис- локационной гипотезы, здесь отводится второ- степенная роль, т.к. рассматривается поведение готового скопления, которое до поступления во- дорода находилось в равновесии. Анализ многочисленных гипотез показывает, что существующие представления не раскры- вают природу обратимой водородной хрупко- сти. Видно также, что трудности в понимании закономерностей ВХ связаны не только с необ- ходимостью определения основных факторов охрупчивающего действия водорода, но и с от- сутствием ясных представлений о микромеха- низмах разрушения металла. Для выяснения природы ОВХ необходимо было решить следующие основные задачи: 1) разра- ботать методы прямого исследования на атом- ном уровне поведения водорода в железе и его сплавах; 2) разработать физически обоснован- ный критерий количественной оценки степени водородного охрупчивания и метод его экспери- ментального определения; 3) сформулировать физическую модель явления ОВХ и обосновать ее результатами прямых экспериментов. 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 3.1. Материалы, методики, аппаратура В экспериментах были использованы сплавы железа с ОЦК- решеткой: конструкционные стали общего назначения Ст3, Ст20 и высокопрочная низ- колегированная (ВПНЛ) сталь типа АБ. Структур- ное состояние сталей изменяли высокотемператур- ной термообработкой, микроструктуру анализирова- ли методом оптической металлографии. Образцы наводороживали электролитически. Для экспериментов при повышенной температуре использовали цилиндрические образцы с каналом вдоль оси, заполненным порошком гидрида титана. Диффузия водорода, освобождаемого из гидрида при нагреве, обеспечивала присутствие водорода в образце достаточно длительное время при повыше- ной температуре. Содержание водорода измеряли методами масс-спектрометрии, хроматографии и высокотемпературной экстракции на приборе LECO. Концентрация диффузионно- подвижного во- дорода в образцах не превышала 0,0010 мас.% (10 см3/100 г металла). Влияние водорода на механические характери- стики определяли способом одноосного растяжения стандартных гладких цилиндрических образцов двух серий - не содержащих водород и после наво- дороживания. Образцы деформировали с постоян- ной скоростью до разрушения при определенной температуре в выбранном ее интервале. Скорость деформации можно было задавать в широких преде- лах. Эти испытания проводили на универсальной машине Инстрон-1251. В исследованиях был использован масс-спек- тральный метод, возможности которого для анализа и исследования водорода в сталях обсуждены в ра- боте [9]. Использовали экспериментальные уста- новки, созданные при выполнении данной работы. Часть экспериментов была выполнена с примене- нием серийной сверхвысоковакуумной (базовое дав- ление 10-10 мм рт.ст.) системы LAS-2000, осна- щенной Оже-детектором и квадрупольным анализа- тором для измерения тока положительных и отрица- тельных ионов. 3.2.Особенности экспериментального исследова- ния взаимодействия водорода с поверхностью железа Взаимодействие в системе “железо - водород” всегда начинается с поверхности [10], а в некоторых гипотезах ВХ влияние водорода на механические свойства непосредственно связывают с изменением характеристик поверхности. Для прямого исследования взаимодействия водо- рода с поверхностью железа необходимы: 1) спект- рально чистый водород; 2) атомно-чистая поверх- ность железа; 3) прямой способ контроля чистоты поверхности; 4) метод получения аналитического сигнала от монослоя водорода. Способы получения спектрально чистого водо- рода разработаны давно и затруднений не вызы- вают. Возможность подготовки атомно-чистой по- верхности металла появилась в 60-е годы и была обеспечена развитием техники сверхвысокого ва- куума. Для очистки поверхности железа от загрязне- ний и хемосорбированных частиц наиболее эффек- тивный способ — ионная бомбардировка. Методы прямого контроля, позволяющие обнаруживать за- грязнения в поверхностных монослоях металла, раз- вивались параллельно с развитием вакуумной тех- ники. К ним, прежде всего, относятся Оже-спек- троскопия, дифракция медленных электронов и вто- рично- ионная масс- спектрометрия. Однако при вы- боре метода получения аналитического сигнала, связанного с адсорбированным водородом, возни- кают затруднения принципиального плана. Они обу- словлены прежде всего тем, что этот сигнал не- обходимо получить от ближайшего к поверхности монослоя адсорбированных атомов и при этом отде- лить его от объемного сигнала. Предельно малые толщина и масса адсорбционного слоя водорода на- лагают очень жесткие требования к разрешающей способности и чувствительности метода исследова- ния. Кроме того, простейшая в природе структура атома водорода исключает возможность получения рентгеновского излучения и эмиссии Оже-электро- нов. Поэтому такие хорошо развитые и широко рас- пространенные физические методы исследования, как рентгеновский анализ во всех его видах и элек- тронная Оже-спектроскопия оказываются непригод- ными для прямого исследования взаимодействия во- дорода с поверхностью металла. Еще одна особенность водорода — слабое куло- новское поле атома — обусловливает малую вели- чину сечения рассеяния при столкновении с ним электронов. Это осложняет применение методов ис- следования, в которых используется электронный зонд и определяется пространственная плотность за- ряда после взаимодействия зонда с поверхностью. По этой причине при анализе методом дифракции медленных электронов (ДМЭ) адсорбированные атомы водорода дают рефлексы слабой интенсивно- сти, в отличие от ярких пятен, создаваемых метал- лической подложкой. Применение метода ДМЭ за- трудняется еще и тем, что дифракционную картину от адсорбционного слоя можно получить только при его структуре дальнего порядка, что не всегда реа- лизуется, особенно при малых степенях покрытия поверхности. В некоторых случаях выводы о форме существо- вания водорода на поверхности железа основыва- ются на измерениях работы выхода электрона. Од- нако трактовка этих результатов оказывается неод- нозначной и поэтому вопрос о зарядовом состоянии водорода на поверхности железа не проясняется. Перспективен для исследования электронных взаимодействий при адсорбции водорода метод электронно-фотонной спектроскопии (обратный фо- тоэффект) [11], но жесткие требования к условиям эксперимента и сложность интерпретации результа- тов измерений затрудняют его использование [12]. В числе физических методов, пригодных для изучения взаимодействия водорода с поверхностью железа, важное место занимает метод вторично-ион- ной масс-спектрометрии (ВИМС)[13,14]. Однако его применение для изучения водорода осложняется влиянием состава адсорбционного слоя на выход вторичных ионов, а высокая чувствительность ме- тода затрудняет расшифровку масс-спектров. Несмотря на богатый арсенал современных ана- литических методов, прямые исследования взаи- модействия водорода с железом затруднены специ- фическими особенностями атомов водорода - мини- мальным атомным числом и наименьшей массой из всех существующих в природе атомов. Метод ВИМС наиболее перспективен для этих исследова- ний, однако, необходимо развитие способов его при- менения. 3.3. Исследование состояния водорода на поверх- ности железа методом масс-спектрометрии вто- ричных ионов Метод МСВИ позволяет использовать один и тот же ионный пучок с регулируемой интенсивностью для следующих процедур, которые необходимы в та- ких экспериментах: (1) очистки поверхности об- разца от загрязнений, внесенных при его подго- товке; (2) контроля чистоты поверхности на уровне монослоя атомов; (3) получения аналитического сиг- нала от водорода, локализованного на поверхности металла. Этот метод имеет наиболее высокую (по- рядка 10-6 монослоя атомов) чувствительность при анализе поверхностных слоев и рекордную раз- решающую способность (порядка одного монослоя) по глубине при послойном анализе. В то же время высокая чувствительность метода в ряде случаев оказывается его недостатком: большое количество пиков в масс-спектрах вторичных ионов затрудняет их идентификацию [15] . Кроме того, выход вторич- ных ионов, обусловленных наличием водорода в об- разце, зависит от состава и давления остаточного газа, поскольку в нем присутствуют молекулы, со- держащие водород. Адсорбируясь на поверхности, они могут неконтролируемо изменять интенсив- ность полезного сигнала. Наконец, при анализе масс-спектров необходимо учитывать “химический” эффект: наличие на поверхности частиц некоторых элементов (например, кислорода) усиливает интен- сивность вторичной эмиссии. Для преодоления этих трудностей в эксперимен- тах, подробно описанных в работе [16], применялась очистка поверхности образца ионной бомбардиров- кой, а также использовался способ разделения ионов поверхностного и объемного происхождения, пред- ложенный в работе [17]. Способ базируется на раз- ной зависимости Jвтор = f(Jперв) для этих ионов: на- личие горизонтального участка на эксперимен- тальной кривой при повышенных значениях Jперв ука- зывает на происхождение ионов из поверхностного (адсорбционного) слоя, а для частиц объемного происхождения этот участок имеет вид прямой ли- нии с наклоном, пропорциональным объемной кон- центрации частиц в металле. В экспериментах с наводороженными образцами была обнаружена интенсивная эмиссия отрицатель- ных вторичных ионов Н- . Наблюдалась также эмис- сия других частиц, обусловленная присутствием во- дорода в объеме металла и на его поверхности. Как видно из рис.1, при повышенных значениях плотно- сти тока первичного пучка ионный ток Н- растет ли- нейно, что указывает на объемное происхождение ча- стиц Н-. Наблюдалась также корреляция величины угла наклона линейной части этой зависимости и со- держания водорода в образце. Анализ этих результа- тов, с учетом процессов ионизации вторичных ча- стиц, позволил заключить, что на атомах водорода, диффундирующих из объема металла на его поверх- ность, локализуется отрицательный заряд. Этот вы- вод важен для понимания физической природы водо- родного охрупчивания ОЦК-сплавов железа. 3.4. Проблема выбора критерия для определения степени водородного охрупчивания Еще одной из основных причин, осложняющих изучение влияния водорода на механические свой- ства конструкционных сталей, является проблема выбора критерия для количественной оценки сте- пени водородного охрупчивания. Как известно, многие традиционные характери- стики механических свойств сталей не зависят от концентрации растворенного водорода. Поэтому в литературе описано множество критериев и методи- ческих схем, используемых для оценки влияния во- дорода. Наиболее простой способ - определение числа перегибов образца до разрушения. Иногда влияние водорода оценивают по времени перехода от обра- тимой к необратимой водородной хрупкости, либо по времени до разрушения непрерывно наводорожи- ваемых под растягивающей нагрузкой цилиндриче- ских образцов. Для этой же цели использовали ве- личину дефекта модуля упругости образца и напря- жение отрыва наводороживаемого образца. О влия- нии водорода судили по соотношению величин ра- боты разрушения на воздухе и при наводорожива- нии. Количественным критерием влияния водорода служила также величина предельной степени де- формации сдвига. При испытаниях методом одноосного растяже- ния относительное сужение образца наиболее чув- ствительно к действию водорода. Поэтому в каче- Все рисунки помещены в Приложении. стве характеристики ВХ чаще всего и используют изменение относительного сужения под влиянием водорода. Критерии механики разрушения — весьма чувст- вительные индикаторы ВХ, но возможность их при- менения для количественного анализа ВХ пока оста- ется открытым вопросом. Кроме того, создают за- труднения необходимость изготовления специаль- ных образцов с концентратором напряжений, неоп- ределенность содержания и распределения водорода в вершине концентратора, а также отсутствие одно- значной связи между характеристиками трещино- стойкости и параметрами микроструктуры металла. Таким образом, существующие критерии и ме- тодики их определения могут быть полезными для сравнительной оценки степени ВХ, но для количе- ственного анализа необходимо строгое физическое обоснование применяемого критерия. 3.5. Разработка нового количественного крите- рия водородной хрупкости В соответствии с новыми фундаментальными по- ложениями физики металлов, хрупкое разрушение является результатом перехода к гриффитсовскому росту внутризеренных зародышевых микротрещин, которые образуются в локальном поле дислокацион- ных ансамблей, возникающих в процессе пласти- ческой деформации. При этом к макроразрушению приводит не любая образовавшаяся микротрещина, а лишь та, которая в суммарном силовом поле дис- локационного скопления и внешних напряжений те- ряет устойчивость в момент ее образования. Эти представления, обоснованные теоретически и экспе- риментально, составляют суть модели микроскола [18-22]. Она дает возможность преодолеть основную трудность описания механизма разрушения, которая, как известно, заключается в определении размера трещины, инициирующей разрушение, т.е. такой трещины, которая может неограниченно увеличи- ваться, приводя к разрушению. Согласно этой модели, мерой хрупкой прочно- сти металла является величина Rmc- минимального (на пределе текучести) напряжения хрупкого разру- шения при одноосном растяжении. Поэтому мерой степени ВХ может служить отношение величин Rн mc наводороженных и Rmc ненаводороженных образцов. Поскольку ВХ проявляется при температурах, близ- ких к нормальной, а пластическая деформация при- водит к увеличению Rmc, то по экспериментальным данным определяется его деформационный аналог Rmce - напряжение разрушения металла, деформи- рованного на определенную степень e . Так как ве- личина Rmce по определению является инвариантной относительно температуры, изменение отношения δн = RН мсе/Rmce с температурой отражает влияние водо- рода на эту величину. Количественным критерием влияния водорода может служить также коэффициент вязкости Кв. Эта величина является показателем запаса способности материала сопротивляться микросколу и определя- ется из соотношения Кв=Rmce/σТ, где σТ - предел те- кучести металла. При Кв> 1 материал вязок, а при Кв< 1 - переохрупчен. Был разработан способ экспериментального опре- деления новых критериев [23,24], позволяющий пу- тем проведения простейших испытаний стандарт- ных образцов на одноосное растяжение изучать за- висимость степени ВХ от всех контролирующих ее факторов, таких как состав и структурное состояние металла; внешние и/или внутренние напряжения; концентрация и распределение растворенного водо- рода; температура; скорость деформации. На рис.2 представлен типичный набор экспериментальных кривых, из которых определяются величины δн и Кв и зависимости их от температуры. 3.6. Результаты механических испытаний и их обсуждение По данным механических испытаний образцов ВПНЛ стали, содержащих водород и без него, были установлены температурные зависимости коэффи- циента вязкости Кв и влияние изменения структур- ного состояния стали на его величину (рис.3). Вид- но, что до термообработки сталь была вязкой (Кв>1), а влияние водорода на эту характеристику было незначительным: зависимости Кв для стали с водородом и без него почти не отличаются. Терми- ческая обработка охрупчивала сталь, на что указы- вает уменьшение величины Кв, а после растворения водорода в такой стали охрупчивание становилось катастрофическим: величина Кв приближалась к единице, то есть сталь разрушалась на пределе теку- чести. Рис. 4 иллюстрирует температурную зависи- мость степени водородного охрупчивания стали Ст20, установленную с помощью параметра δн. От- клонение δн от 1 определяет интервал температуры, в котором проявляется действие водорода. Как вид- но из рис. 4, это действие максимально вблизи нор- мальной температуры. Температурные зависимости δн, показанные на рис. 5, характеризуют влияние скорости деформа- ции на степень ОВХ стали Ст3: при максимальной скорости, использованной в этих экспериментах, δ н = 1 в пределах всего температурного интервала, то есть в этих условиях влияние водорода отсутствует. На рис. 6 представлены попарно (опыты с водо- родом и без него) температурные зависимости пре- дела текучести σт сталей Ст3 (нормализованной) и ВПНЛ (после термообработки). Как видно, эти ста- ли существенно отличаются по величине σт. Не- смотря на это, растворенный водород не влияет на σ т: в каждой из двух пар соответствующие темпера- турные зависимости почти не отличаются. Кратко рассмотрим экспериментальные зависи- мости, представленные на рис. 3-6. Катастрофиче- ское водородное охрупчивание ВПНЛ стали наблю- далось (см. рис.3) после термообработки, не изме- нявшей средний размер зерна: трансформировалась только карбидная фаза и, несомненно, изменялась структура на дислокационном и атомном уровнях. В результате этого существенно увеличилась чувстви- тельность стали к действию водорода. Отсюда вы- вод: структура стали - один из основных факторов ОВХ. Аномальная температурная зависимость степени водородного охрупчивания стали Ст20 прослежена в широком интервале температуры (см. рис.4) и яв- ляется типичной для ОВХ: водород влияет макси- мально вблизи нормальной температуры. Скорость деформации также принадлежит к ос- новным факторам, определяющим ОВХ, и ее влия- ние также аномально (см. рис.5): от скорости дефор- мирования не зависит действие ни одной примеси, кроме водорода. Зависимости на рис.6 свидетельствуют о том, что при одноосном растяжении негативное влияние во- дорода проявляется, когда напряжения достигают, как минимум, предела текучести. Эти зависимости показывают также, что водород не влияет на движе- ние дислокаций, поскольку величина σт не изменя- ется при растворении водорода. Эти результаты необходимо дополнить данными о зависимости степени охрупчивания от концентра- ции водорода: в экспериментах с образцами термо- обработанной ВПНЛ-стали охрупчивающее влияние водорода заметно проявлялось при его содержании 0,3 см3 /100г металла, что соответствует средней атомной концентрации порядка одного атома водо- рода на миллион атомов железа. В литературе опи- саны эксперименты [25], в которых катастрофиче- ское охрупчивание наблюдали при сверхнизкой кон- центрации растворенного водорода, равной 10-2 см3/ 100 г металла. 4. ПРИРОДА ОБРАТИМОЙ ВОДОРОДНОЙ ХРУПКОСТИ 4.1. Постулирование модели ОВХ на основе концепции микроскола В соответствии с концепцией микроскола, при рассмотрении охрупчивающего действия водорода внимание было сосредоточено на главном звене процесса разрушения - поведении в присутствии во- дорода зародышевой микротрещины, которая обра- зуется в результате деформации. Решающее значение при построении модели имело наблюдение интенсивной эмиссии вторичных отрицательных ионов Н--, возникающих при бом- бардировке поверхности наводороженного образца первичным пучком ионов Ar+. Новая модель водородной хрупкости [26 ] выгля- дит следующим образом. Подготовительная стадия включает растворение атомов водорода в объеме ме- талла, захват их ловушками, в том числе дисло- кациями, и перенос водорода движущимися дисло- кациями при деформации. Затем водород, освобож- даемый из дислокаций при образовании субмикрот- рещины, хемосорбируется на ювенильных поверх- ностях в виде отрицательных ионов Н--. Присутствие этих частиц на поверхности и в вершине идеально острой зародышевой трещины облегчает разрыв пре- дельно напряженных межатомных связей. Таким об- разом, водород действует в критический момент, когда в процессе микроскола в вершине образующей- ся субмикротрещины преодолевается предельная прочность решетки. В результате снижается уровень нормального растягивающего напряжения, необхо- димого для перехода микротрещины в состояние ав- токаталитического распространения, а на макро- уровне это проявляется как охрупчивающий эффект. 4.2. Экспериментальное обоснование новой модели Для обоснования модели необходимо было убе- диться в правильности следующих ее элементов: 1) водород при растворении в металле конденсируется на дислокациях; 2) действие водорода является ло- кальным эффектом; 3) к месту зарождения микро- трещины водород переносится подвижными дисло- кациями; 4) освобождаемый из дислокаций водород хемосорбируется на поверхностях зародышевой ми- кротрещины, изменяя ее энергетическое состояние; 5) микротрещина, преодолевшая потенциальный ба- рьер под влиянием водорода, распространяется ав- токаталитически в поле напряжений, образуя макро- трещину. Захват водорода дислокациями при его растворе- нии в металле является установленным фактом и в ли- тературе дискуссии на эту тему уже давно не ведутся. Вывод о локальном действии водорода при ОВХ подтверждается как литературными данными, так и результатами, полученными в данной работе: при кон- центрации водорода на уровне 1 ppm иное действие водорода, кроме локального, представить невозможно. В литературе описаны исследования переноса водорода отдельно краевыми, винтовыми и смешан- ными дислокациями в монокристаллах железа [27]. Эффективность дислокационного механизма пере- носа водорода обусловлена не только тем, что пор- ция водорода, захваченного дислокацией, перено- сится в объеме металла со скоростью ее движения. Некоторые другие особенности этого процесса [28] иллюстрирует схема на рис. 7. Таким образом, особая роль дислокаций в меха- низме ОВХ обусловлена тем, что их перемещение является основным механизмом пластической де- формации и одновременно — наиболее эффектив- ным способом транспортировки водорода в объеме металла. К этому необходимо добавить, что совре- менная физика разрушения предлагает большое ко- личество дислокационных моделей образования за- родышевых микротрещин [29]. К ним относятся классические модели Стро и Коттрелла; при участии дислокаций разрушаются хрупкие включения; в ре- зультате взаимодействия дислокаций с недефор- мируемыми частицами второй фазы зарождаются микротрещины в месте среза хрупкой пластины; при торможении полос скольжения плоской границей формируется стенка краевых дислокаций, в резуль- тате чего зарождаются микротрещины по дисклина- ционной схеме. Не требуется подтверждение протекания про- цесса хемосорбции водорода на атомно-чистых по- верхностях после его освобождения из дислокаций и попадания в пустоту зародышевой трещины: внима- ние должно быть сосредоточено на анализе состоя- ния и поведения водорода на такой поверхности [10]. Приведенные выше результаты изучения эмис- сии вторичных ионов прямо свидетельствуют об особом (в виде отрицательных ионов) состоянии хе- мосорбированного водорода. В таком зарядовом со- стоянии влияние водорода на предельно напря- женные межатомные связи в вершине трещины, а следовательно, и на поведение микротрещины будет максимальным. Условия образования и эволюции зародышевых микротрещин детально изучены в ра- ботах Ю.Я.Мешкова и его сотрудников при обосно- вании концепции микроскола [18 - 22]. Таким образом, представленная модель водород- ной хрупкости подтверждается результатами пря- мых экспериментальных исследований. 4.3. Применение новой модели Новая модель была использована для детального феноменологического описания ОВХ как физиче- ского явления [30]; для выяснения природы холод- ных трещин в сварных соединениях ВПНЛ-сталей [31,32]; для разработки математической модели ини- циирования водородного растрескивания [33]; для анализа роли водорода как фактора риска при экс- плуатации и ремонте наводороженного оборудо- вания [34]; для развития представлений о роли во- дорода в процессе стресс-коррозии [35]. ВЫВОДЫ 1. Физическая природа обратимой водородной хрупкости ОЦК-сплавов железа заключается в лока- лизации отрицательного заряда на атомах водорода, адсорбированных поверхностью идеально острой зародышевой микротрещины. В результате этого об- легчается разрыв межатомных связей в ее вершине и тем самым снижается величина критического напря- жения, необходимого для потери устойчивости ми- кротрещины и ее дальнейшего автокаталитического распространения в поле напряжений. 2. Решающая роль в механизме ОВХ принадле- жит дислокациям, перемещение которых является элементарным актом пластического деформирова- ния, инициирующего хрупкое разрушение, и одно- временно наиболее эффективным способом транс- портировки водорода в объеме металла. 3. Новые представления о природе ОВХ позво- ляют естественно и последовательно объяснить экс- периментально установленные закономерности это- го явления. Тем самым создается основа для его прогнозирования и для разработки технологических приемов предотвращения негативного влияния во- дорода на механические свойства ОЦК-сплавов же- леза — конструкционных сталей — в различных условиях их эксплуатации. ЛИТЕРАТУРА 1. Б.А. Колачев. Водородная хрупкость металлов. М.: Металлургия, 1985, 216 с. 2. Г.Г. Нельсон. Водородное охрупчивание. Охрупчивание конструкционных сталей и сплавов. М.: Металлургия, 1988, с. 256–333. 3. В.А. Гольцов. Материаловедение — значение и место в водородной экономике // Водородная обра- ботка материалов: Сб. информ. материалов II Международ. конф.: “ВОМ–98”, Донецк, 2–4 июня 1998 г, с. 10–12. 4. В.Г. Барьяхтар, Ю.М. Буравлев, М.П. Кушнир, А.Г. Милославский. Водород в диффузионных про- цессах химико—термической обработки металлов и сплавов. Киев: «Наукова думка», 1999, 254 с. 5. В.І. Ткачов. Проблеми водневої деградацiї металiв // Фіз.–хіміч. механіка матеріалів.2000, № 4, с. 7–14. 6. Б.А. Колачев. Обратимая водородная хрупкость металлов// Физ.—химич. механика материалов. 1979, № 3, с. 17–23. 7. J.P. Hirth. Effect of hydrogen on the properties of iron and steel // Metal. Trans.,1980, V. 11A, № 6, p. 861–890. 8. В.И. Шаповалов. Влияние водорода на структуру и свойства железоуглеродистых сплавов. М.: Ме- таллургия, 1982, 230 с. 9. В.И. Швачко. Анализ и исследование водорода в сталях масс-спектральным методом // Физ.-химич. механика материалов. 1998, № 4, с. 85–99. 10. К. Christmann. Interaction of hydrogen with solid surfaces // Surface science reports. 1988, V.9, р. 1-163. 11. F.J. Himpsel. Inverse photoemission // J. Phys. Chem. Solids. 1988, V. 41, № 1, p. 3–8. 12. А.Е. Андрейкив, Ю.М. Кобзарь. Взаимодействие водорода с алюминием // Физ.–химич. механика ма- териалов. 1986, № 4, с. 14–18. 13. Я.М. Фогель. Вторичная ионная эмиссия // Успе- хи физич. наук. 1967, Т. 91, № 1, с. 75–112. 14. В.Т. Черепин. Ионный микрозондовый анализ. Киев: «Наукова думка», 1992, 344 с. 15. Э. Зенгуил. Физика поверхности. М.: Мир, 1990, 536 с. 16. V.I. Shvachko. Studies using negative secondary ion mass-spectrometry: hydrogen on iron surface // Surface Science. 1998, V. 411, p. L882–L887. 17. В.Ф. Козлов, В.М. Пистряк, Я.М. Фогель. Воз- можность применения явления вторичной ионной эмиссии к изучению объемных процессов в твердых телах // ФТТ. 1968, 10, вып. 12, с. 3713–3715. 18. Ю.Я. Мешков. Физические основы прочности стальных конструкций. Киев: «Наукова думка», 1981, 238 с. 19. Ю.Я. Мешков, Г.А. Пахаренко. Структура ме- талла и хрупкость стальных изделий. Киев: «Нау- кова думка», 1985, 266 с. 20. Ю.Я. Мешков, Т.Н. Сердитова. Разрушение де- формированной стали. Киев: «Наукова думка», 1989, 160 с. 21.С.А.Котречко, Ю.Я.Мешков, Г.С.Меттус. К воп- росу о хрупком и вязком состояниях поликристал- лических металлов // Металлофизика. 1990, Т. 12, № 6, с. 3–13. 22. Ю.Я. Мешков. Основы физической природы раз- рушения металлов и сплавов // Металлофизика и новейшие технологии. 1994, Т. 16, № 16, с. 17–30. 23. [Пат.] Заявка № 5040067, МКИ G 01 n 17/00. Способ количественного определения степени водо- родного охрупчивания конструкционных сталей и сварных швов / И.К.Походня, Ю.Я.Мешков, В.И.- Швачко и др. — Заявл. 01.07.91. — Положит. реше- ние пат. ведомства России от 28.09.92. 24. И.К. Походня, В.И. Швачко, С.А. Котречко, Ю.Я. Мешков. Новый метод количественного опре- деления чувствительности сталей к водородному охрупчиванию // Физ.–химич. механика материалов. 1998, № 4, с. 79–84. 25. В.В. Величко, Г.М. Михеев, В.В. Забельский, Д.И. Малеев. Влияние сверхмалых концентраций водорода на механические свойства закаленной ста- ли 30ХГСА // Физ.—химич. механика материалов. 1991, № 1, с. 112 — 114. 26. И.К. Походня, В. И. Швачко, В. Н. Упырь, А.В. Шиян, С.А. Котречко и др. О механизме влия- ния водорода на хрупкость металлов // ДАН СССР. 1989, 308, № 5, с. 1131–1134. 27. C. Wang, I.M. Bernstein. Dislocation transport of hydrogen in iron single crystals // Acta Met. 1986, V. 34, № 6, p. 1001–1005. 28.J.K. Tien, A.W. Thompson, I.M. Bernstein, R.J. Richards. Hydrogen transport by dislocations // Metallurg. Trans. A. 1976, V. A, № 6, p.821–829. 29. В.И. Владимиров. Физическая природа разруше- ния металлов. М.: Металлургия, 1984, 280 с. 30. B.I. Швачко. Оборотна воднева крихкість сталей як фізичне явище // Фіз.–хіміч. механіка матеріалів. 1999, № 4, c. 5–15. 31. I.K. Pokhodnya, V.I. Shvachko. Cold Cracks in Welded Joints of Structural Steels // Int. J. Mater. Sci. 1997, V. 32, № 1, p. 45–56. 32. V.I. Shvachko. Hydrogen Induced Cold Crack as Reversible Hydrogen Embrittlement Effect // Int. J. Hydrogen Energy. 2000, V. 25, p. 473–480. 33. I.K. Pokhodnya, V.I. Shvachko, S.V. Utkin. Calculating studies of hydrogen induced cracking of structural steels // Environmental Degradation of Engineering Materials. Gdansk: Scientific Society, 1999, V. 1, p. 357–362. 34. И.К. Походня, В.И. Швачко, Г.А. Яцына. Ре- монтная сварка наводороженных конструкций // Во- дородная обработка материалов: Сб. информ. ма- териалов II Междунар. конф. “ВОМ–98”, Донецк, 2–4 июня 1998 г, с. 181. 35. В.И. Швачко, Г.А. Яцына. Ранняя диагностика водорода в сварных трубопроводах. Проблеми ко- розii i протикорозiйного захисту конструкцiйних ма- терiалiв. В 2—х т. // Спецвипуск журналу “Фiз.- хiмiч. механiка матерiалiв”. Львiв: ФМI iм. Карпен- ка, 2000, Т. 2, с. 673–675. Рис. 1. Зависимости интенсивности пучка вторич- ных ионов Н- (1; 2) и Н+(3) от плотности тока пер- вичного ионного пучка для наводороженного образ- ца стали: (1), (3) — через 4; (2) — через 20 часов по- сле наводороживания Рис. 2. Температурная зависимость механических свойств стали Ст3 без водорода (1) и после наводо- роживания (до 6 см3/100 г) (2): σт — предел текуче- сти; Sk — среднее напряжение разрушения; ψ — от- носительное сужение Рис.3. Зависимости коэфициента вязкости Кв=Rmce/ σт ВПНЛ стали от температуры: (1), (2) — исход- ная структура; (3), (4) — после термической обра- ботки (860 °С, 1 час). Зависимости (2), (4) для об- разцов, наводороженных до 3,0 см3/100 г Рис. 4. Температурная зависимость степени ОВХ δ н=Rн mcе/Rmcе стали Ст20 Рис. 5. Зависимости степени ОВХ δн = Rн mcе/Rmcе стали Ст3 от температуры при скоростях дефор- мации (в мм/мин): (1) — 2;(2) — 2·102; (3) — 2·103; (4) —2·104 Рис. 6. Зависимости предела текучести σт от тем- пературы для сталей Ст3 (1) и ВПНЛ (2) после термообработки: образцы с водородом (темные значки) и без него (светлые) Рис. 7. Схема перенесения водорода дислокацией: 1 - подвижная дислокация “заметает” водород; 2 - часть водорода “оседает” вокруг частиц второй фазы в результате образования дислокационных петель Орована; 3 - дислокация транспортирует водород, оставшийся вокруг нее в атмосфере Коттрелла ПРИЛОЖЕНИЕ Приложение УДК 669.018 Метод МСВИ позволяет использовать один и тот же ионный пучок с регулируемой интенсивностью для следующих процедур, которые необходимы в таких экспериментах: (1) очистки поверхности образца от загрязнений, внесенных при его подготовке; (2) контроля чистоты поверхности на уровне монослоя атомов; (3) получения аналитического сигнала от водорода, локализованного на поверхности металла. Этот метод имеет наиболее высокую (порядка 10-6 монослоя атомов) чувствительность при анализе поверхностных слоев и рекордную разрешающую способность (порядка одного монослоя) по глубине при послойном анализе. В то же время высокая чувствительность метода в ряде случаев оказывается его недостатком: большое количество пиков в масс-спектрах вторичных ионов затрудняет их идентификацию [15] . Кроме того, выход вторичных ионов, обусловленных наличием водорода в образце, зависит от состава и давления остаточного газа, поскольку в нем присутствуют молекулы, содержащие водород. Адсорбируясь на поверхности, они могут неконтролируемо изменять интенсивность полезного сигнала. Наконец, при анализе масс-спектров необходимо учитывать “химический” эффект: наличие на поверхности частиц некоторых элементов (например, кислорода) усиливает интенсивность вторичной эмиссии. Для преодоления этих трудностей в экспериментах, подробно описанных в работе [16], применялась очистка поверхности образца ионной бомбардировкой, а также использовался способ разделения ионов поверхностного и объемного происхождения, предложенный в работе [17]. Способ базируется на разной зависимости Jвтор = f(Jперв) для этих ионов: наличие горизонтального участка на экспериментальной кривой при повышенных значениях Jперв указывает на происхождение ионов из поверхностного (адсорбционного) слоя, а для частиц объемного происхождения этот участок имеет вид прямой линии с наклоном, пропорциональным объемной концентрации частиц в металле. В соответствии с новыми фундаментальными положениями физики металлов, хрупкое разрушение является результатом перехода к гриффитсовскому росту внутризеренных зародышевых микротрещин, которые образуются в локальном поле дислокационных ансамблей, возникающих в процессе пластической деформации. При этом к макроразрушению приводит не любая образовавшаяся микротрещина, а лишь та, которая в суммарном силовом поле дислокационного скопления и внешних напряжений теряет устойчивость в момент ее образования. Эти представления, обоснованные теоретически и экспериментально, составляют суть модели микроскола [18-22]. Она дает возможность преодолеть основную трудность описания механизма разрушения, которая, как известно, заключается в определении размера трещины, инициирующей разрушение, т.е. такой трещины, которая может неограниченно увеличиваться, приводя к разрушению. Выводы Литература 34. И.К. Походня, В.И. Швачко, Г.А. Яцына. Ремонтная сварка наводороженных конструкций // Водородная обработка материалов: Сб. информ. материалов II Междунар. конф. “ВОМ–98”, Донецк, 2–4 июня 1998 г, с. 181. 35. В.И. Швачко, Г.А. Яцына. Ранняя диагностика водорода в сварных трубопроводах. Проблеми корозii i протикорозiйного захисту конструкцiйних матерiалiв. В 2—х т. // Спецвипуск журналу “Фiз.-хiмiч. механiка матерiалiв”. Львiв: ФМI iм. Карпенка, 2000, Т. 2, с. 673–675.
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-78237
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	1562-6016
language	Russian
last_indexed	2025-12-07T15:50:55Z
publishDate	2000
publisher	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
record_format	dspace
spelling	Швачко, В.И. 2015-03-13T06:34:58Z 2015-03-13T06:34:58Z 2000 Водородная хрупкость ОЦК-сплавов железа / В.И. Швачко // Вопросы атомной науки и техники. — 2000. — № 5. — С. 79-86. — Бібліогр.: 35 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/78237 669.018 Представлены результаты экспериментального исследования природы обратимой водородной хрупкости ОЦК-сплавов железа - конструкционных сталей. Для анализа состояния водорода использован метод масс-спектрометрии вторичных ионов. Разработан физически обоснованный критерий определения степени водородного охрупчивания и способ его экспериментального измерения. Предложена модель водородной хрупкости, основанная на концепции микроскола. Показано, что обратимая водородная хрупкость ОЦК-сплавов железа обусловлена локализацией отрицательного заряда на атомах водорода, адсорбированных поверхностью идеально острой зародышевой микротрещины. В результате этого облегчается разрыв межатомных связей в ее вершине и тем самым снижается величина критического напряжения, необходимого для потери устойчивости микротрещины и ее дальнейшего автокаталитического распространения в поле напряжений. ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Физика и технология конструкционных материалов Водородная хрупкость ОЦК-сплавов железа Article published earlier
spellingShingle	Водородная хрупкость ОЦК-сплавов железа Швачко, В.И. Физика и технология конструкционных материалов
title	Водородная хрупкость ОЦК-сплавов железа
title_full	Водородная хрупкость ОЦК-сплавов железа
title_fullStr	Водородная хрупкость ОЦК-сплавов железа
title_full_unstemmed	Водородная хрупкость ОЦК-сплавов железа
title_short	Водородная хрупкость ОЦК-сплавов железа
title_sort	водородная хрупкость оцк-сплавов железа
topic	Физика и технология конструкционных материалов
topic_facet	Физика и технология конструкционных материалов
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/78237
work_keys_str_mv	AT švačkovi vodorodnaâhrupkostʹocksplavovželeza

Водородная хрупкость ОЦК-сплавов железа

Institution

Ähnliche Einträge