Войти
Трещины, индуцированные водородом (HIC) Водородное охрупчивание (HE), также известное как водородное растрескивание или вызванное водородом растрескивание, описывает охрупчивание металла диффузионным водородом. Основные факты о природе водородной хрупкости сталей известны уже 140 лет. Это диффузный атомарный водород, который вреден для прочности железа и стали. Это низкотемпературный эффект: большинство металлов относительно невосприимчивы к водородному охрупчиванию при температуре выше 150 ° C. (302 ° F)
В сталях диффундирующие ионы водорода поступают из воды, которая обычно вводится в результате влажного электрохимического процесса, такого как гальваника. Его следует отличать от совершенно другого процесса высокотемпературного водородного воздействия (HTHA), при котором стали, работающие при высоких температурах выше 400 ° C, подвергаются воздействию газообразного водорода.
Для возникновения водородного охрупчивания требуется сочетание трех условий:
Диффузионный водород может быть введен во время производства при таких операциях, как формовка, нанесение покрытия, гальваника или очистка. Наиболее частые причины отказов на практике - плохо контролируемое гальваническое покрытие или плохая сварка влажными сварочными стержнями. Оба они вводят ионы водорода, которые растворяются в металле. Водород также может поступать с течением времени ( внешнее охрупчивание) из-за воздействия окружающей среды (почвы и химические вещества, включая воду), процессов коррозии (особенно гальванической коррозии ), включая коррозию покрытия и катодную защиту. Атомы водорода очень малы и диффундируют внутри стали. Почти уникально среди растворенных атомов они подвижны при комнатной температуре и диффундируют от места их введения в течение нескольких минут.
Явление водородного охрупчивания было впервые описано Джонсоном в 1875 году. Из этой статьи 1875 года можно с полным основанием сделать следующие выводы:
Отсюда следует, что вредное влияние диффундирующего водорода можно уменьшить, предотвратив его проникновение в сталь или сделав его неподвижным после проникновения в материал.
Водородное охрупчивание - это сложный процесс, включающий ряд отдельных микромеханизмов, не все из которых должны присутствовать. Механизмы включают образование хрупких гидридов, создание пустот, которые могут привести к образованию пузырьков под высоким давлением, усиление декогезии на внутренних поверхностях и локализованную пластичность на концах трещин, которые способствуют распространению трещин. Было предложено и исследовано множество механизмов, которые вызывают хрупкость после растворения диффундирующего водорода в металле. Поскольку водород диффузионный и подвижный, хрупкость может возникнуть только тогда, когда (а) он улавливается микроскопическими ловушками и (б) эти ловушки вызывают хрупкость. В последние годы стало общепризнанным, что ВО - это сложный процесс, зависящий от материалов и окружающей среды, поэтому не существует единственного механизма.
Водород охрупчивает различные металлы, включая сталь, алюминий (только при высоких температурах) и титан. Закаленное железо также восприимчиво, хотя закаленная сталь (и, возможно, другие закаленные металлы) демонстрирует повышенную стойкость к водородному охрупчиванию. НАСА провело обзор, какие металлы подвержены охрупчиванию, а какие - только к воздействию горячего водорода: никелевые сплавы, аустенитные нержавеющие стали, алюминий и сплавы, медь (включая сплавы, например, бериллиевая медь ). Sandia также подготовила подробное руководство.
Стали охрупчивались водородом за счет катодной зарядки. Для снижения содержания водорода применялась термическая обработка (обжиг). Меньшее время обжига привело к более быстрому разрушению из-за более высокого содержания водорода. Сталь с пределом прочности на разрыв менее 1000 МПа (~ 145000 фунтов на квадратный дюйм) или твердостью менее 32 HRC обычно не считается подверженной водородному охрупчиванию. В качестве примера сильного водородного охрупчивания, относительное удлинение при разрушении нержавеющей стали 17-4PH, упрочненной атмосферным осадком, упало с 17% до 1,7%, когда гладкие образцы подвергались воздействию водорода под высоким давлением.
По мере увеличения прочности сталей вязкость разрушения уменьшается, поэтому вероятность того, что водородное охрупчивание приведет к разрушению, увеличивается. В высокопрочных сталях все, что превышает твердость HRC 32, может быть подвержено преждевременному водородному растрескиванию после процессов гальваники, в которых вводится водород. Они также могут испытывать долгосрочные отказы в любое время от недель до десятилетий после ввода в эксплуатацию из-за накопления водорода с течением времени от катодной защиты и других источников. Сообщалось о многочисленных отказах в диапазоне твердости от HRC 32-36 и выше; поэтому детали в этом диапазоне следует проверять во время контроля качества, чтобы убедиться, что они не чувствительны.
Медные сплавы, содержащие кислород, могут охрупчиваться под воздействием горячего водорода. Водород диффундирует через медь и реагирует с включениями Cu 2 O, образуя H 2 O ( воду ), которая затем образует пузырьки под давлением на границах зерен. Этот процесс может привести к тому, что зерна буквально отталкиваются друг от друга, и он известен как паровое охрупчивание (потому что образуется пар, а не потому, что воздействие пара вызывает проблему).
Большое количество сплавов ванадия, никеля и титана поглощают значительное количество водорода. Это может привести к большому объемному расширению и повреждению кристаллической структуры, что приведет к тому, что сплавы станут очень хрупкими. Это особая проблема при поиске сплавов на основе непалладия для использования в мембранах для разделения водорода.
Хотя большинство отказов на практике происходит из-за быстрого отказа, есть экспериментальные доказательства того, что водород также влияет на усталостные свойства сталей. Это вполне ожидаемо, учитывая характер механизмов охрупчивания, предложенных для быстрого разрушения. Обычно водородное охрупчивание оказывает сильное влияние на многоцикловую усталость при высоких напряжениях и очень мало на многоцикловую усталость.
Во время производства водород может быть растворен в компоненте с помощью таких процессов, как фосфатирование, травление, гальваника, литье, карбонизация, очистка поверхности, электрохимическая обработка, сварка, горячее формование и термообработка.
Во время эксплуатации водород может растворяться в металле в результате влажной коррозии или из-за неправильного применения мер защиты, таких как катодная защита. В одном случае отказа во время строительства моста через залив Сан-Франциско – Окленд оцинкованные (т. Е. Оцинкованные) стержни оставались влажными в течение 5 лет перед их натяжением. В результате реакции цинка с водой в сталь вводился водород.
Распространенным случаем охрупчивания во время производства является плохая практика дуговой сварки, при которой водород выделяется из влаги, например, при покрытии сварочных электродов или из влажных сварочных стержней. Чтобы свести это к минимуму, для сварки высокопрочных сталей используются специальные электроды с низким содержанием водорода.
Помимо дуговой сварки, наиболее распространенные проблемы связаны с химическими или электрохимическими процессами, в результате которых на поверхности образуются ионы водорода, которые быстро растворяются в металле. Одна из этих химических реакций включает сероводород в сульфидном растрескивании под напряжением (SSC), что является серьезной проблемой для нефтяной и газовой промышленности.
После производственного процесса или обработки, которая может вызвать проникновение водорода, компонент следует прокалить для удаления или иммобилизации водорода.
Водородное охрупчивание можно предотвратить несколькими способами, все из которых сосредоточены на минимизации контакта между металлом и водородом, особенно во время производства и электролиза воды. Следует избегать процедур охрупчивания, таких как травление кислотой, а также повышенного контакта с такими элементами, как сера и фосфат. Использование подходящего раствора и процедур для гальваники также может помочь предотвратить водородное охрупчивание.
Если металл еще не начал трескаться, водородную хрупкость можно обратить вспять, удалив источник водорода и заставив водород внутри металла диффундировать наружу в результате термообработки. Этот процесс уменьшения хрупкости, известный как отжиг с низким содержанием водорода или "обжиг", используется для преодоления недостатков таких методов, как гальваника, которые вводят водород в металл, но не всегда полностью эффективен, поскольку необходимо достичь достаточного времени и температуры. Такие тесты, как ASTM F1624, можно использовать для быстрого определения минимального времени выпечки (при тестировании с использованием плана экспериментов можно использовать относительно небольшое количество образцов для точного определения этого значения). Затем тот же тест можно использовать в качестве проверки качества, чтобы оценить, достаточно ли выпечки для каждой партии.
В случае сварки часто применяется предварительный и последующий нагрев металла, чтобы водород мог диффундировать, прежде чем он может вызвать какие-либо повреждения. Это особенно важно для высокопрочных сталей и низколегированных сталей, таких как сплавы хром / молибден / ванадий. Из-за времени, необходимого для повторного объединения атомов водорода в молекулы водорода, водородное растрескивание из-за сварки может произойти в течение 24 часов после завершения операции сварки.
Другой способ предотвратить эту проблему - подбор материалов. Это создаст внутреннее сопротивление этому процессу и уменьшит потребность в постобработке или постоянном мониторинге сбоев. Некоторые металлы или сплавы очень восприимчивы к этой проблеме, поэтому выбор материала, который подвергается минимальному воздействию при сохранении желаемых свойств, также может обеспечить оптимальное решение. Было проведено много исследований для каталогизации совместимости некоторых металлов с водородом. Такие тесты, как ASTM F1624, также можно использовать для ранжирования сплавов и покрытий во время выбора материалов, чтобы гарантировать (например), что порог растрескивания ниже порога коррозионного растрескивания под действием водорода. Подобные тесты могут также использоваться во время контроля качества для более эффективной оценки производимых материалов быстрым и сопоставимым образом.
Большинство аналитических методов водородного охрупчивания включают оценку эффектов (1) внутреннего водорода от производства и / или (2) внешних источников водорода, таких как катодная защита. Что касается сталей, важно испытывать в лаборатории образцы, которые по крайней мере такие же твердые (или более твердые), чем конечные детали. В идеале образцы должны быть изготовлены из окончательного материала или ближайшего возможного представителя, так как изготовление может иметь сильное влияние на сопротивление водородному растрескиванию.
Существует множество стандартов ASTM для испытаний на водородную хрупкость:
Есть много других связанных стандартов водородной хрупкости:
