Повреждение водородом - Hydrogen damage

Повреждение водородом общее название, данное большому количеству металл процессы деградации из-за взаимодействия с водород.

Водород присутствует практически везде, на несколько километров над землей и внутри Земли. Технические материалы подвергаются воздействию водорода, и они могут взаимодействовать с ним, что приводит к различным видам структурных повреждений. Повреждающее действие водорода на металлические материалы известно с 1875 года, когда У. Х. Джонсон сообщил:[1] «Некоторые замечательные изменения произошли в утюг под действием водорода и кислоты ». За прошедшие годы многие аналогичные эффекты наблюдались в различных конструкционных материалах, таких как стали, алюминий, титан, и цирконий. Из-за технологической важности повреждения водородом многие люди исследовали природу, причины и меры контроля разложения металлов, связанного с водородом. Закалка, охрупчивание и внутренние повреждения являются основными процессами повреждения металлов водородом. Металлы могут улавливать водород во время плавления, литья, формовки и изготовления. Они также подвергаются воздействию водорода в течение всего срока службы. Материалы, восприимчивые к водородному повреждению, имеют широкие возможности для разложения на всех этих этапах.

Классификации

Повреждение водородом может быть четырех типов: упрочнение твердого раствора, создание внутренних дефектов, водородное охрупчивание и водородное охрупчивание.[2] Каждый из них может быть далее классифицирован на различные процессы повреждения.

Отверждение твердого раствора

Такие металлы, как ниобий и тантал растворяют водород и подвергаются затвердеванию и охрупчиванию при концентрациях, намного ниже их предела растворимости в твердых телах.[3] Упрочнение и охрупчивание усиливаются за счет увеличения скорости деформации.

Гидридное охрупчивание

В гидрид формирование металлов, таких как титан, цирконий и ванадий, абсорбция водорода вызывает серьезное охрупчивание. На низком концентрации Для водорода, ниже предела растворимости в твердом состоянии, образование гидрида под действием напряжения вызывает охрупчивание, которое усиливается медленным деформированием. При концентрациях водорода выше предела растворимости хрупкие гидриды осаждаются на плоскостях скольжения и вызывают серьезное охрупчивание.[4] Этому последнему виду охрупчивания способствуют повышенные скорости деформации, пониженная температура и наличие бороздок в материале.

Создание внутренних дефектов

Водород, присутствующий в металлах, может вызвать несколько видов внутренних дефектов, таких как пузыри, разрушение перелом, хлопья, рыбий глаз и пористость. Углеродистые стали, подвергающиеся воздействию водорода при высоких температурах, подвергаются водородной атаке, что приводит к внутреннему обезуглероживание и ослабление.[5]

Пузыри

Атомарный водород, диффундирующий через металлы, может собираться на внутренних дефектах, таких как включения и пластинки, и образовывать молекулярный водород. В таких местах может создаваться высокое давление из-за постоянного поглощения водорода, приводящего к образованию пузырей, их росту и возможному разрыву пузырей. Такое образование пузырей, вызванное водородом, наблюдалось в сталях, алюминиевых сплавах, титановых сплавах и материалах ядерных конструкций.[2] Металлы с низкой растворимостью водорода (например, вольфрам) более подвержены образованию пузырей.[6] В то время как в металлах с высокой растворимостью водорода, таких как ванадий, водород предпочитает индуцировать стабильные гидриды металлов, а не пузыри или пузыри.

Расколотые трещины, хлопья, рыбий глаз и микроперфорация

Хлопья и трещины - это внутренние трещины, наблюдаемые в больших поковках. Водород, захваченный во время плавки и литья, выделяется во внутренних пустотах и ​​неоднородностях и вызывает эти дефекты во время ковки. Рыбий глаз - это яркие пятна, названные в честь их внешнего вида на поверхностях изломов, как правило, сварных соединений. Водород попадает в металл при сварке плавлением и вызывает этот дефект при последующем напряжении. В стальных защитных емкостях, подвергающихся воздействию чрезвычайно высокого давления водорода, образуются небольшие трещины или микроперфорации, через которые может протекать жидкость.[2]

Пористость

В таких металлах, как железо, сталь, алюминий и магний, растворимость водорода в которых увеличивается с повышением температуры, выделение избыточного водорода во время охлаждения из расплава (в слитках и отливках) дает пористость газообразного водорода.

Хрупкость водорода

Основная статья: Хрупкость водорода

Безусловно, наиболее разрушительным действием водорода в конструкционных материалах является водородная хрупкость.[7][8] Материалы, подверженные этому процессу, демонстрируют заметное снижение их способности поглощать энергию перед разрушением в присутствии водорода. Это явление также известно как водородное растрескивание, образование пузырей под действием водорода. Охрупчивание усиливается за счет низких скоростей деформации и низких температур, близких к комнатной.

Водородное растрескивание под напряжением

Хрупкое замедленное разрушение обычно пластичных материалов, когда внутри присутствует водород, называется водородным растрескиванием под напряжением или внутренним водородным охрупчиванием. Этот эффект наблюдается в высокопрочных конструкционных сталях, титановых сплавах и алюминиевых сплавах.

Охрупчивание водородной среды

Охрупчивание материалов при растягивающей нагрузке в контакте с газообразным водородом известно как водородное охрупчивание окружающей среды или внешнее водородное охрупчивание. Это наблюдалось в легированных сталях и сплавах никеля, титана, урана и ниобия.

Потеря пластичности при растяжении

Водород снижает пластичность многих материалов при растяжении. В пластичных материалах, таких как аустенитные нержавеющие стали и алюминиевые сплавы, не может возникнуть заметного охрупчивания, но может наблюдаться значительное снижение пластичности при растяжении (% удлинения или% уменьшения площади) при испытаниях на растяжение.

Ухудшение других механических свойств

Водород также может влиять на пластическую текучесть металлов. Сообщалось о повышении или понижении предела текучести, зубчатой ​​текучести, изменении скорости наклепа, а также о снижении усталости и ползучести.[2]

Контроль водородного повреждения

Лучший способ контролировать водородное повреждение - это контролировать контакт между металлом и водородом. Можно предпринять множество шагов для уменьшения попадания водорода в металлы во время критических операций, таких как плавка, литье, обработка (прокатка, ковка и т. Д.), Сварка, подготовка поверхности, например химическая очистка, гальваника и коррозия, в течение срока их службы. Контроль за окружающей средой и металлургический контроль материала для снижения его восприимчивости к водороду - два основных подхода к уменьшению вредного воздействия водорода.

Обнаружение водородного повреждения

Существуют различные методы адекватной идентификации и мониторинга повреждений водородом, в том числе: затухание ультразвукового эха метод, основанный на амплитуде обратное рассеяние, отношение скоростей, бегущие волны / времяпролетные измерения, скорость поперечной волны в режиме продольного наклона, передовые методы ультразвукового обратного рассеяния (AUBT), времяпролетная дифракция (TOFD), картирование толщины и на месте металлография - реплики.[9] В случае повреждения водородом используется метод обратного рассеяния для обнаружения пораженных участков в материале. Для перекрестной проверки и подтверждения результатов измерения обратного рассеяния используется метод измерения отношения скоростей. Для обнаружения микро и макро трещины, времяпролетная дифракция является подходящим методом для использования.[10]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ W. H. Johnson, Proc. Royal Soc. Лондон., 23 (1875), 168
  2. ^ а б c d T.K.G. Namboodhiri, Trans. Индийский институт Металлы, 37 (1984), 764
  3. ^ Колачев Б.А. Водородное охрупчивание цветных металлов, Перевод с русского, Израильская программа научных переводов, (1968)
  4. ^ W. J. Pardee, N. E. Paton, Metall. Пер. 11А (1980), 1391
  5. ^ Дж. А. Нельсон, Повреждение водородом, К. Д. Бичем (ред.), Американское общество металлов, Металл Парк, Огайо, (1977), стр. 377
  6. ^ Кондон, Дж. Б. и Т. Шобер. "Пузырьки водорода в металлах. "Журнал ядерных материалов 207 (1993): 1-24.
  7. ^ Djukic, M.B .; и другие. (2015). «Водородное повреждение сталей: тематическое исследование и модель водородного охрупчивания». Анализ технических отказов. Эльзевир. 58 (Недавние тематические исследования по анализу технических отказов): 485–498. Дои:10.1016 / j.engfailanal.2015.05.017.
  8. ^ Джукич, Милош Б .; и другие. (2016). «Водородная хрупкость промышленных компонентов: прогноз, предотвращение и модели». Коррозия. NACE International. 72 (7): 943–961. Дои:10.5006/1958.
  9. ^ Австралийский институт неразрушающего контроля (AINDT), Обнаружение и количественная оценка повреждения водородом
  10. ^ «Атака высокотемпературным водородом (HTHA): обнаружение, оценка, оценка». TÜV Rheinland. Получено 15 декабря, 2016.

внешняя ссылка