Воднева деградація сталей — сукупність фізико-хімічних та механічних процесів, що виникають у сталях внаслідок проникнення, дифузії та накопичення водню і призводять до погіршення їхніх експлуатаційних властивостей, зокрема міцності, пластичності, тріщиностійкості та довговічності. Явище є однією з форм водневої крихкості та розглядається як важлива проблема сучасного матеріалознавства та інженерії конструкцій.

Загальна характеристика

Водень, завдяки малому атомному радіусу, легко проникає у кристалічну ґратку сталей та концентрується в дефектах структури — дислокаціях, межах зерен, неметалевих включеннях і мікропорожнинах. Основними джерелами водню є корозійні процеси, електрохімічні технології, зварювання, експлуатація у водневмісних середовищах, а також системи водневого охолодження турбогенераторів.

Класичні дослідження показали, що водень може перебувати у ґратці як у розчиненому стані, так і у пастках різної енергії зв’язування, що суттєво впливає на його рухливість і деградаційні ефекти.

Основні механізми

Механізми водневої деградації узагальнені в оглядових працях з металургії та механіки руйнування.

Основні механізми водневої деградації

Воднева деградація металів і сплавів охоплює сукупність фізико-хімічних і механічних процесів, що призводять до зниження пластичності, міцності та довговічності матеріалів у присутності водню.Totten G.E. (Ed.). ASM Handbook, Volume 13A: Corrosion: Fundamentals, Testing, and Protection. ASM International, 2003. pp. 1001–1020. Механізми цього явища залежать від кристалічної структури матеріалу, концентрації водню, температури, напруженого стану та мікроструктурних особливостей.Lynch S.P. Hydrogen embrittlement phenomena and mechanisms. Progress in Materials Science. 2012. Vol. 57. pp. 690–784.

Воднево-індуковане охрупчування

Воднево-індуковане охрупчування пов’язане з проникненням атомарного водню в кристалічну ґратку металу та його накопиченням у дефектних зонах — дислокаціях, міжзернових межах, порах і неметалевих включеннях.Oriani R.A. The diffusion and trapping of hydrogen in steel. Metallurgical Transactions. 1970. Vol. 1. pp. 327–339. Наявність водню знижує енергію міжатомного зв’язку та сприяє переходу від пластичного до крихкого механізму руйнування.Gangloff R.P., Somerday B.P. (Eds.). Environment-Induced Cracking of Metals. Elsevier, 2012.

Механізм воднево-посиленої локальної пластичності (HELP)

Згідно з механізмом воднево-посиленої локальної пластичності (Hydrogen Enhanced Localized Plasticity, HELP), водень зменшує взаємодію між дислокаціями та перешкодами, полегшуючи їх рух.Birnbaum H.K., Sofronis P. Hydrogen-enhanced localized plasticity — a mechanism for hydrogen-related fracture. Acta Materialia. 1994. Vol. 42. No. 1. pp. 1–14. Це спричиняє локалізацію пластичної деформації, формування зон концентрації напружень і прискорене зародження мікротріщин, особливо за умов циклічного навантаження.

Механізм воднево-індукованого зниження когезії (HEDE)

Механізм воднево-індукованого зниження когезії (Hydrogen Enhanced Decohesion, HEDE) передбачає зменшення енергії міжатомних зв’язків під дією водню в зонах розтягувальних напружень або на міжзернових межах. Це може призводити до міжкристалічного або транскристалічного руйнування без розвитку значної пластичної деформації.

Утворення внутрішнього тиску молекулярного водню

У деяких сталях і сплавах атомарний водень може рекомбінувати у молекулярний у замкнених порах або поблизу неметалевих включень, що супроводжується зростанням локального внутрішнього тиску.Alefeld G., Völkl J. (Eds.). Hydrogen in Metals. Springer-Verlag, Berlin, 1978. Це явище може викликати формування підповерхневих тріщин, розшарування та інші дефекти.

Комплексний характер водневої деградації

У реальних умовах експлуатації воднева деградація зазвичай реалізується як поєднання кількох механізмів, дія яких посилюється механічними навантаженнями, корозійним середовищем та температурними факторами. Це ускладнює прогнозування довговічності конструкційних матеріалів і потребує комплексного підходу до оцінювання їхнього експлуатаційного стану.

HELP-механізм Водень полегшує рух дислокацій, що призводить до локалізованої пластичної деформації та концентрації напружень.

HEDE-механізм Ослаблення міжатомних зв’язків у зонах концентрації водню сприяє міжкристалічному або крихкому руйнуванню.

Нанопороутворення Експериментальні дослідження показують, що водень може прискорювати зародження нанопор і ініціацію тріщин у високоміцних сплавах.

Вплив на механічні та триботехнічні властивості

Водневе насичення змінює міцнісні характеристики та інтенсивність зношування сталей.

Галузі застосування

Проблема є критичною для: енергетичних турбогенераторів; нафтогазових трубопроводів; транспортних систем; водневої енергетики.

Методи дослідження

мікроструктурний аналіз; електронна мікроскопія; вимірювання мікротвердості; аналіз продуктів зношування; пермеаційні методи визначення водню.

Див. також Воднева крихкість Стрес-корозійне розтріскування Триботехніка Дифузія водню

Примітки