Водородная хрупкость низкоуглеродистых сталей
Глава 3. в книге Перспективные материалы, том IX: Учеб. пособие / Под ред. Д.Л. Мерсона. Тольятти: Изд-во ТГУ, 2021. – сс. 99-167
Авторы: Мерсон Е.Д., Мерсон Д.Л.
Об издании
Пособие составлено по материалам лекций, прочитанных ведущими учеными-материаловедами России, ближнего и дальнего зарубежья на IХ Международной Школе «Физическое материаловедение», состоявшейся 09-13 сентября 2019 г. в г.Тольятти.
Содержание:
Введение
3.1. Наводороживание сталей
3.1.1. Растворимость водорода в железе и сталях
3.1.2. Состояние водорода в металле
3.1.3. Транспорт водорода внутри железа и сталей
3.2. Последствия наводороживания сталей
3.2.1. Необратимая водородная хрупкость сталей
3.2.2. Обратимая водородная хрупкость сталей
3.2.3. Теории и механизмы обратимой ВХ
Механизм высокого давления водорода
Декогезионный механизм
Механизм снижения поверхностной энергии
Механизм вязко-хрупкого перехода
Механизм водородо-стимулированной локализованной пластичности (HELP)
Механизм адсорбционно-индуцированной дислокационной эмиссии (AIDE)
Вакансионный механизм (HESIV)
3.2.4. Особенности поверхности разрушения и пути распространения трещин при обратимой ВХ низкоуглеродистых сталей
Заключение
Контрольные вопросы
Список литературы
Краткое описание
Охрупчивание железа и сталей в результате насыщения их водородом впервые было обнаружено чуть менее 150 лет назад. Несмотря на столь солидный возраст, проблема водородной хрупкости (ВХ, англ. hydrogen embrittlement, HE) по-прежнему остается высоко актуальной, о чем свидетельствуют: большие объемы финансирования проектов по всему миру, связанных с данной тематикой, регулярно проводимые международные узкоспециализированные конференции и семинары, а также ежегодно публикуемые в ведущих научных изданиях обзорные статьи по ВХ и сотни иных работ, в которых рассматриваются частные случаи и отдельные аспекты данного явления.
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. Очевидно, последствия таких разрушений в лучшем случае имеют чисто экономический характер, а в худшем – сопряжены с ущербом экологии или даже с человеческими жертвами. Данная проблема стоит остро для большого количества отраслей промышленности, в первую очередь – нефтегазовой и химической, а также авиакосмической, атомной, автомобильной и др. 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. Более того, относительно некоторых аспектов ВХ, в частности, механизма роста трещин под действием водорода, на сегодняшний день существуют принципиально противоположные точки зрения, каждая из которых имеет весомые аргументы, как за, так и против. Данное обстоятельство является важным фактором, удерживающим интерес ученых к явлению ВХ.
В настоящей главе рассмотрено современное состояние вопроса об особенностях и механизмах ВХ низкоуглеродистых сталей. Кроме того, приведены сведения о состоянии и диффузии водорода в этих материалах.
Ключевые слова
Водородная хрупкость; низкоуглеродистые стали; разрушение; фрактография; диффузия; квазискол; меха-нические свойства.