Елементи різних конструкцій можуть подвер-гаться спільному впливу довготривалих нагрів-зок, температур і різних агресивних середовищ. Одним з видів агресивного середовища є водородосо-тримає середу. Причому вона може діяти на конструкцію як при високих температурах і тисках, так і при нормаль-них, які умовно називають низькими температурами. При високих температурах і тисках водень, діючи на матеріал конструкції, викликає водневу корозію - обезуглероживающего перетин, в результаті значно змінюються короткочасні і тривалі механічні властивості. Це призводить до зміни напружено-деформованого стану (НДС) елементів конструкцій і скорочення долговеч-ності.
При нормальних температурах водень надає виборчі-тельное вплив на механічні властивості напруженого металу конструкції. Механічні властивості сильно змінюються в розтягнутих зонах і практично залишаються стабільними в сжа-тих зонах конструкції; причому в розтягнутих зонах зміна механічних властивостей тим сильніше, чим більша кількість по-огрядний проникло в відповідний обсяг конструкції. Водневе вплив призводить до охрупчіванію матеріалу, яке може привести, і в ряді випадків вже призводило до аварій. Незважаючи на це, водень широко застосовується в різних галузях техніки і промисловості. Більш того, в силу цілого ряду причин технічного, економі-чного та екологічного характеру очікується значне збільшення споживання водню в світовій економіці для раз-особистих потреб.
Низькотемпературне водневе охрупчивание спостерігається при температурах, що не перевищують 200 ° С (від t = -20 до t = 200 ° С), і в цьому випадку в якості джерела водню виступає або сам водень, коли конструктивний елемент являє собою бак, посудину, балон і т.д. (Тоді водень просто під тиском проникає в метал), або водень може з'явитися як побічний продукт в ряді технологічних процесів.
Низькотемпературне водневе вплив відрізняється тим, що водень по дифузійному механізму проникає в напружені і ненапружених елементи конструкцій, причому він інтенсивніше проникає в розтягнуті зони конструкцій і менш інтенсивно - в стислі зони, накопичується там і після досягнення певної концентрації призводить до зміни механічних властивостей матеріалу конструкції. При цьому ступінь зміни властивостей металів сильно залежить від вмісту водню. При малому вмісті водню зміни механічних властивостей практично не спостерігається, після досягнення критичного рівня відбувається інтенсивне погіршення властивостей, після досягнення граничної концентрації (граничного рівня насичення) зміна механічних властивостей загальмовується, незважаючи на триваюче насичення матеріалу конструкції.
Особливість роботи навантажених конструкцій, що піддаються низькотемпературного наводороживания, полягає в тому, що зміна механічних властивостей матеріалу в розтягнутих зонах відбувається більш інтенсивно, ніж в стислих зонах. Нерівномірний зміна властивостей викликає перерозподіл поля напружень, яке в свою чергу впливає на розподіл водневого поля. Цей процес перерозподілу напружень і водневого поля за обсягом конструкції буде несталим до тих пір, поки або не стабілізується стан конструкції, або вона не зруйнується.
При низькотемпературному наводороживания кінетика водневої крихкості контролюється кінетикою транспорту водню. Якщо концентрація водню перевищить гранично допустиме значення, то розвивається воднева крихкість. Воднева крихкість проявляється в зміні механічних характеристик металу. Термін «воднева крихкість» є умовним, так як водень не завжди призводить до уповільненого руйнування.
Воднева крихкість пов'язана з різного роду дефектами і недосконалостями кристалічної решітки металів. Воднева крихкість металів створюється самим воднем завдяки особливостям його стану в металі.
Аналіз експериментальних даних дозволив виявити сліду-ющие закономірності прояви водневої крихкості:
1) викликана воднем крихкість проявляється при низьких швидкостях деформації;
2) підвищення вмісту водню в матеріалі погіршує його міцність і пластичні характеристики;
3) наводороженний метал піддається сповільненого руйнуючої-шенням, тобто руйнування при постійній або слабо мінливій навантаженні;
4) механічні характеристики наводороженного металу, що знаходиться в напруженому стані, можуть хоча б частково бути відновлені в процесі відпочинку після зняття напружень;
5) з посиленням схеми напруженого стану интен-ність охрупчивания помітно зростає [2].
Присутність водню призводить до збільшення крихкості всіх без винятку металів, ні в одному випадку не було виявлено збільшення пластичності металу при оклюзії водню.
Встановлено, що результатом виникнення водневої крихкості стали є зниження ударної в'язкості, відносного подовження і відносного звуження. Шкідливий вплив водню на пластичні властивості більш різко проявляються у хромонікелевих, хромомолібденових і хромонікельмолібденових сталей. Значне охрупчивание сталі, що містить водень, відбувається в інтервалі температур від - 100 до + 100 0 С, максимум водневої крихкості має місце при температурах, близьких до кімнатної, а при температурі - 196 0 С воднева крихкість стали практично не спостерігається. На малюнку 1 схематично це зображено.
Чутливість стали до водневої крихкості залежить від багатьох факторів: в першу чергу від рівня міцності, а потім від стану, складу, структури стали, а також властивостей окремих плавок [3].
Також встановлено, що присутність водню призводить до різкого зниження пластичних властивостей нікелю і в характері цього процесу є багато спільного з процесом охрупчивания стали і ряду інших металів, що мають кубічну решітку. Однак на відміну від сталі, де тиск призводило до незворотних змін внаслідок пластичної деформації, нікель деформується тільки пружно: після припинення наводороживания деформація поступово зникає.
При впливі водню на мідь відбувається різке зниження пластичності. Небезпека охрупчивания міді необхідно враховувати при деяких технологічних операціях, наприклад при світлому відпалі мідних виробів, що отримав широке практичне застосування.
Малюнок 1. Схема розтягування стали.
1 вихідна нормалізація; 2 після наводороживания.
Алюміній не схильний до водневої крихкості. Єдиний дефект, що виникає в алюмінію і його сплавів під дію водень, - газова пористість, яка впливає на механічні властивості сплавів. Зниження межі міцності представляється наслідком охрупчивания через пористості.
Тантал найменш схильний до водневої крихкості. Довговічність наводороженного танталу також значно нижче, ніж яка не містить водень.
Присутність водню в титані викликає різке погіршення пластичних властивостей металу при розтягуванні і інших видах деформації, знижує опір ударному руйнуванню, негативно впливає на характеристики тривалої міцності і інші службові властивості металу. Технічний титан має велику чутливість до водневої крихкості, ніж титан високої чистоти [1].
Таким чином, проблема водневої крихкості металів виявилася значно більш глибоку та всеосяжну, ніж це передбачалося.
1. Галактіонова, Н.А. Водень в металах. - М. Металургія, 1967. - 304c.
2. Колачев, Б.А. Воднева крихкість метал-лов. - М. Металургія, 1985. - 215c.
3. Мороз, Л.С Воднева крихкість металів. М. Металургія, 1967. - 275c.