Детализация механизма роста трещин при водородной хрупкости низкоуглеродистых сталей на основе данных прецизионных экспериментов

Несмотря на то, что проблема водородной хрупкости (ВХ) известна науке уже около 150 лет, она, по-прежнему, остается высоко актуальной. Пристальный интерес научного сообщества к проблеме ВХ сталей связан с ее опасностью, заключающейся в высокой вероятности внезапного хрупкого разрушения стальных деталей и конструкций, в металле которых, по тем или иным причинам, оказалась повышенная концентрация водорода. В частности проблема ВХ стоит остро для нефтегазовой и химической промышленности. Отдельно стоит отметить, что на сегодняшний день во всем мире ведутся активные работы по переходу к водородной энергетике, подразумевающей использование газообразного водорода в качестве топлива. Одной из ключевых задач в этой сфере является обеспечение безопасной транспортировки и хранения водорода, в том числе, посредством трубопроводов и резервуаров высокого давления, материал которых должен обладать высокой стойкостью к ВХ и в то же время быть относительно недорогим.

Наиболее привлекательными с этой точки зрения являются низкоуглеродистые малолегированные стали со специальной микроструктурой, обеспечивающей высокую сопротивляемость ВХ. Однако целенаправленный дизайн такой микроструктуры, как и создание физико-математических моделей, позволяющих рассчитать ресурс работы материала или допустимые нагрузки и концентрации водорода для его безопасной эксплуатации, невозможны без понимания фундаментальных механизмов ВХ, которое на сегодняшний день, к сожалению, не достигнуто.

Разрушение большинства низкоуглеродистых сталей, охрупченных водородом, сопровождается образованием изломов со специфическим рельефом квазискола (КС). Существуют две прямо противоположных точки зрения о механизме роста трещин, который приводит к формированию такого рельефа. Согласно одной из версий рост водородных трещин - чисто хрупкий процесс, который осуществляется по механизму скола и аналогичен тому, который наблюдается, например, при хладноломкости данных сталей. Другая популярная версия заключается в том, что в микро масштабе рост водородных трещин является результатом сильно локализованного вязкого разрушения, т.е. процесса образования и слияния микро или нано-пор. Каждый из указанных механизмов требует совершенно разных подходов к дизайну микроструктуры материала, чтобы повысить его стойкость к ВХ. В связи с этим основная задача, на решение которой направлен настоящий проект – это расширение представлений о механизме роста трещин и формирования поверхности разрушения квазискола в низкоуглеродистых сталях и железе, охрупченных водородом.

Научная новизна настоящего исследования в первую очередь обеспечивается оригинальностью постановки запланированных экспериментов, а также комплексом современных исследовательских методов и авторских методик, которые будут задействованы при выполнении работ по проекту. В работе планируется исследовать образцы чистого железа, сплава Fe-3%Si и низкоуглеродистой стали. Путем изменения условий испытания с растяжения при in-situ наводороживании на растяжение в жидком азоте планируется изменить механизм роста трещин в одном и том же образце, с вызванного водородом, КС на истинный скол. Анализ поведения акустической эмиссии (АЭ) в процессе испытаний, а также последующее всестороннее микроскопическое исследование поверхности разрушения, боковой поверхности и поперечных сечений каждого образца при помощи методов сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), конфокальной лазерной сканирующей микроскопии (КЛСМ) и дифракции обратно-отраженных электронов (EBSD) позволит установить, как меняется путь и морфология трещин при переходе от испытания в процессе наводороживания к испытанию в жидком азоте. Если путь трещин будет меняться незначительно и при обоих условиях испытания будет совпадать с кристаллографическими плоскостями скола, то можно будет заключить, что рост водородных трещин КС осуществляется по механизму скола. Если же путь трещин при наводороживании и в жидком азоте будет существенно отличаться, то теорию скола можно будет исключить.

В результате выполнения проекта будут проведены уникальные эксперименты, которые позволят получить изломы гладких и надрезанных образцов чистого железа, сплава Fe-3%Si и низкоуглеродистой стали, поверхность которых будет частично представлена фасетками квазискола, образованными вследствие водородной хрупкости, тогда как другая часть излома будет состоять из фасеток скола, образованных вследствие хладноломкости при испытании в жидком азоте. При помощи методов качественной (с применением СЭМ) и количественной (с применением 3D КЛСМ) в одном и том же изломе, каждого испытанного образца будут измерены углы разориентировки и степень кривизны фасеток квазискола и скола. Путем исследования боковой поверхности и поперечных сечений, испытанных образцов с применением СЭМ и метода EBSD будет установлено, меняется ли (и если меняется, то как) путь трещин квазискола относительно микроструктуры и кристаллографической ориентации зерен при смене условий испытания, с тех, при которых развивается водородная хрупкость, на те, которые провоцируют хладноломкость. Указанные результаты будут также подкреплены данными, полученными методом АЭ, который согласно результатам предыдущих работ, является чрезвычайно чувствительным к механизму разрушения и эффективным инструментом для его анализа. За счет применения как гладких, так и надрезанных образцов будет выяснено влияние полей напряжений на путь распространения трещин низкотемпературного скола и водородного квазискола. Комплексный анализ полученных результатов позволит ответить на вопрос: распространяются ли, вызванные водородом, трещины квазискола по тому же механизму, что и трещины низкотемпературного скола или нет. Подробный микроскопический анализ трещин на боковой поверхности позволит установить наличие или отсутствие микропор и сделать вывод об их роли в механизме роста трещин. Выяснение механизма роста трещин в низкоуглеродистой стали, охрупченной водородом обеспечит возможность создания научно обоснованного похода к дизайну микроструктуры сталей с повышенной стойкостью к ВХ. Таким образом, результаты выполнения настоящего проекта будут обладать высокой значимостью не только для фундаментальной науки, но и смогут быть использованы на практике. В частности они могут быть полезны для широкого перечня отраслей отечественной промышленности, включая нефтегазовую и химическую, авиакосмическую, атомную, автомобильную и др. По результатам проекта планирует опубликовать не менее 3-х статей в ведущих отечественных и зарубежных научных изданиях индексируемых в базах данных Scopus и Web of Science, в том числе, входящих в Q1.

1. Путем испытания на растяжение отожженных надрезанных образцов низкоуглеродистой стали и технически чистого железа в процессе in-situ наводороживания до заданной деформации с последующим их разгружением и доломом в жидком азоте получены изломы, одна часть которых является результатом водородо-асситированного растрескивания (ВАР) и имеет морфологию квазискола (КС), а другая полностью представлена фасетками истинного скола (ИС) и образована в результате хладноломкости. В изломах железного и стального образцов между участками КС и ИС наблюдается четкая граница без какой-либо переходной зоны, где плавно искривленная и относительно пологая поверхность КС резко приобретает угловатый изломанный рельеф, обусловленный сильной разориентировкой фасеток ИС.
2. При помощи топографических данных, полученных методом КЛСМ, и оригинального программного обеспечения для анализа количественных характеристик фасеток и рельефа поверхности разрушения проведен детальный количественный фрактографический анализ поверхностей КС и ИС. Установлено, что средний угол разориентировки фасеток КС в изломах низкоуглеродистой стали и чистого железа, соответственно, составляет 23,3º и 20,7º, что в 1,5 и 2 раза ниже, чем у фасеток ИС в изломе тех же образцов. Аналогичным образом для данных образцов соотносятся средние значения углов наклона фасеток обоих типов к плоскости нормальных напряжений и макроплоскости излома. Показано также, что шероховатость изломов образцов стали и чистого железа на участке КС, соответственно, в 1,5 и 2 раза ниже, чем на участке ИС. При этом кривизна фасеток КС, определенная как дисперсия аппроксимации поверхности фасеток плоскостью, для стальных и железных образцов, соответственно в 3 и 1,5 раза выше, чем у фасеток ИС. Установлено, что гистограммы распределений углов разориентировки фасеток КС, а также углов их наклона к плоскости нормальных напряжений и к макроплоскости излома и в железе и в стали имеют логнормальный вид, тогда как гистограммы распределения значений тех же характеристик для фасеток ИС, описываются уравнением нормального распределения или же более сложной зависимостью.
3. Путем микроскопического анализа на боковой поверхности образцов железа и низкоуглеродистой стали, растянутых при in-situ наводороживании до заданной деформации, обнаружены магистральные и вторичные трещины КС, поверхность и путь которых иногда сильно искривлены, даже в пределах одного зерна, а иногда являются прямолинейными даже при пересечении границ зерен. В то же время, трещины ИС в этих же образцах в пределах одного зерна распространяются прямолинейно, а при пересечении границ зерен всегда меняют направление роста, подстраиваясь под кристаллографические плоскости скола в каждом зерне. Показано, что трещины КС, рост которых прекратился внутри зерна при остановке растяжения с in-situ наводороживанием, продолжают расти по механизму ИС при последующем испытании в жидком азоте. При этом искривленные трещины КС начинают распространяться прямолинейно, а их основное направление роста в пределах зерна меняется. При помощи СЭМ, впервые получены снимки, на которых в пределах одного зерна в железе и в стали присутствуют трещины и фасетки ИС и КС, имеющие разную ориентацию относительно друг друга, что свидетельствует об их разной кристаллографической ориентации. Установлено, что углы разориентировки между трещинами ИС и КС внутри одного зерна могут достигать 24º.
4. Установлено, что по сравнению с ВАР, распространение трещин ИС, сопровождается существенно меньшей пластической деформацией, о чем свидетельствует существенное уменьшение размера пластической зоны и количества полос скольжения в непосредственной близости от берегов макротрещины при смене механизма ее роста с ВАР при растяжении с in-situ наводороживанием на ИС при растяжении в жидком азоте.
5. Путем микроскопического исследования боковой поверхности образцов установлено, что вторичные трещины КС на поверхности образцов железа и стали образованные в разных зернах имеют одинаковую ориентацию относительно друг друга и относительно магистральная трещины. Однако при этом они выстроены каскадом в направлении касательных напряжений, под углом около 30º к плоскости магистральной трещины. Таким образом, в отличие от трещин ИС, путь трещин КС в гораздо меньшей степени зависит от кристаллографической ориентации зерен и определяется главным образом действующими полями напряжений и деформации.

Публикации по итогам выполнения этапа работы:

1. Мерсон Е. Д., Полуянов В. А., Мягких П. Н., Мерсон Д. Л., Виноградов А. Ю. Прямое количественное сравнение поверхностей разрушения скола и квазискола в охрупченной водородом низкоуглеродистой стали Letters on Materials, - (год публикации - 2020).
2. Мерсон Е. Д., Полуянов В. А., Мягких П.Н., Мерсон Д.Л., Виноградов А.Ю. Выяснение механизма формирования различных элементов морфологии квази-скола в изломе низкоуглеродистой стали, охрупченной водородом Сборник материалов IX Международной школы с элементами научной школы для молодежи "Физическое материаловедение", С. 17-18 (год публикации - 2019).
3. Мерсон Е. Д., Полуянов В. А., Мягких П.Н., Мерсон Д.Л., Виноградов А.Ю. On the features of hydrogen-induced quasi-cleavage fracture surface in the low-carbon steel Book of Abstracts of the International Conference "Advanced Materials Week", C. 88 (год публикации - 2019).

Результаты, полученные в ходе выполнения второго года проекта позволили установить, что механизм водородо-асситированного растрескивания (ВАР), ответственный за формирование поверхности квазискола (КС) в изломах сплавов системы Fe-Si принципиально отличается от механизма истинного скола (ИС) в этих материалах. На это указывают следующие результаты:

1. Путем испытания на растяжение надрезанных образцов сплава Fe-2.5% Si в процессе in-situ наводороживания до заданной деформации с последующим их разгружением и доломом в жидком азоте получены изломы, одна часть которых является результатом ВАР и имеет морфологию КС, а другая полностью представлена фасетками ИС и образована в результате хладноломкости. При этом в изломе между участками КС и ИС наблюдается четкая граница без какой-либо переходной зоны, где плавно искривленная и относительно пологая поверхность КС резко приобретает угловатый изломанный рельеф, обусловленный сильной разориентировкой фасеток ИС.
2. При помощи топографических данных, полученных методом КЛСМ, и оригинального программного обеспечения для анализа количественных характеристик фасеток и рельефа поверхности разрушения проведен детальный количественный фрактографический анализ поверхностей КС и ИС. Установлено, что средний угол разориентировки фасеток КС в изломе образца сплава Fe-Si составляет 18,9°, что в 1,5 раза ниже, чем у фасеток ИС в изломе тех же образцов. Аналогичным образом в этом сплаве соотносятся средние значения углов наклона фасеток обоих типов к плоскости нормальных напряжений и макроплоскости излома. Показано также, что шероховатость излома на участке КС в 1,5 раза ниже, чем на участке ИС. При этом кривизна фасеток КС, определенная как дисперсия аппроксимации поверхности фасеток плоскостью в 1,7 раза выше, чем у фасеток ИС. Установлено, что гистограммы распределений углов разориентировки фасеток КС, а также углов их наклона к плоскости нормальных напряжений и к макроплоскости излома имеют логнормальный вид, тогда как гистограммы распределения значений тех же характеристик для фасеток ИС, описываются уравнением нормального распределения или же более сложной зависимостью.
3. Путем микроскопического анализа на боковой поверхности образца сплава Fe-Si, растянутого при in-situ наводороживании до заданной деформации, обнаружены магистральные и вторичные трещины КС, поверхность и путь которых иногда сильно искривлен, даже в пределах одного зерна, а иногда является прямолинейным даже при пересечении границ зерен. В то же время, трещины ИС в этих же образцах в пределах одного зерна распространяются прямолинейно, а при пересечении границ зерен меняют направление роста, подстраиваясь под кристаллографические плоскости скола в каждом зерне. Показано, что трещины КС, рост которых прекратился внутри зерна при остановке растяжения с in-situ наводороживанием, продолжают расти по механизму ИС при последующем испытании в жидком азоте. При этом искривленные трещины КС начинают распространяться прямолинейно, а их основное направление роста в пределах зерна меняется. При помощи СЭМ, впервые получены снимки, на которых в пределах одного зерна в сплаве Fe-Si присутствуют трещины и фасетки ИС и КС, имеющие разную ориентацию относительно друг друга, что свидетельствует об их разной кристаллографической ориентации. При помощи метода EBSD установлено, что ориентация трещин ИС в сплаве Fe-Si совпадает с ориентацией кристаллографических плоскостей семейства {001}, тогда как ориентация трещин КС может с ними, как совпадать, так и не совпадать. Аналогичные результаты при помощи EBSD анализа получены также для чистого железа и низкоуглеродистой стали.
4. Установлено, что по сравнению с ВАР, распространение трещин ИС, сопровождается существенно меньшей пластической деформацией, о чем свидетельствует существенное уменьшение размера пластической зоны и количества полос скольжения в непосредственной близости от берегов макротрещины при смене механизма ее роста с ВАР при растяжении с in-situ наводороживанием на ИС при растяжении в жидком азоте.
5. Путем микроскопического исследования боковой поверхности образцов установлено, что в отличие от пути трещин ИС, который в масштабе нескольких зерен определяется кристаллографической ориентацией данных зерен, путь трещин КС при ВАР в аналогичном масштабе в гораздо меньшей степени привязан к конкретным кристаллографическим плоскостям. Об этом свидетельствует существенно меньшее отклонение пути трещин КС от плоскости нормальных напряжений и макроплоскости излома по сравнению с путем трещин ИС в одной и той же микроструктуре, характеризующейся случайно разориентировкой зерен феррита.
6. Путем сравнения трещин КС на поверхности гладких и надрезанных образцов железа, сплава Fe-Si и низкоуглеродистой стали, испытанных при in-situ наводороживании, установлено, что на путь и геометрию трещин КС сильно влияет поле напряжений от надреза. Большинство вторичные трещин КС в образцах с надрезом имеют характерную S-образную искривленную форму, тогда как в отсутствии надреза трещины КС, в основном, имеют гораздо более прямолинейную геометрию.
7. Установлено, что при растяжении с in-situ наводороживанием сигналы АЭ главным образом связаны с выделением пузырей, всплывающих на поверхность электролита. Сигналы АЭ, связанные с данным процессом не позволяют выделить полезный сигнал АЭ связанный с ростом трещин, поэтому использование метода АЭ в данном случае оказалось не эффективным.

Публикации по итогам выполнения этапа работы:

1. Мерсон Е.Д. , Мягких П.Н., Полуянов В.А., Мерсон Д.Л., Виноградов А.Ю. О разнице механизмов скола и квазискола в наводороженной низкоуглеродистой стали Сборник трудов Х-ой Евразийской научно-практической конференции "Прочность неоднородных структур" - ПРОСТ 2020/2021, - (год публикации - 2021).
2. Мерсон Е.Д.,Мягких П.Н., Полуянов В.А.,Дорогов М.В., Мерсон Д.Л., Виноградов А.Ю. The fundamental difference between cleavage and hydrogen-assisted quasi-cleavage in ferritic materials revealed by multiscale quantitative fractographic and side surface characterization Materials Science and Engineering A, - (год публикации - 2021).
3. Мерсон Е.Д.,Полуянов В.А., Мягких П.Н., Мерсон Д.Л., Виноградов А.Ю. Влияние напряженно-деформированного состояния на путь распространения трещин квазискола в низкоуглеродистой стали, охрупченной водородом Письма о материалах, - (год публикации - 2021).