Введение
Снижение пластичности металла, подверженного воздействию водорода.
Hydrogen embrittlement (HE), also known as hydrogen assisted cracking or hydrogen induced cracking (HIC), is a reduction in the ductility of a metal due to absorbed hydrogen. Hydrogen atoms are small and can permeate solid metals. Once absorbed, hydrogen lowers the stress required for cracks in the metal to initiate and propagate, resulting in embrittlement. Hydrogen embrittlement occurs most notably in steels, as well as in iron, nickel, titanium, cobalt, and their alloys. Copper, aluminium, and stainless steels are less susceptible to hydrogen embrittlement. The essential facts about the nature of hydrogen embrittlement have been known since the 19th century. Hydrogen embrittlement requires the presence of both atomic ("diffusible") hydrogen and a mechanical stress to induce crack growth, although that stress may be applied or residual. Hydrogen embrittlement increases at lower strain rates. In general, higher strength steels are more susceptible to hydrogen embrittlement than mid strength steels. Metals can be exposed to hydrogen from two types of sources: gaseous hydrogen and hydrogen chemically generated at the metal surface. Gaseous hydrogen is molecular hydrogen and does not cause embrittlement though it can cause hot hydrogen attack (see below). It is the atomic hydrogen from chemical attack which causes embrittlement because the atomic hydrogen dissolves quickly into the metal at room temperature. The mechanisms (there are many) by which hydrogen causes embrittlement in steels are not comprehensively understood and continue to be explored and studied. There is a great variety of mechanisms that have been proposed In recent years, it has become widely accepted that HE is a complex, material and environmental dependent process, so that no single mechanism applies exclusively. Hydrogen enhanced localised plasticity (HELP): Hydrogen increases the nucleation and movement of dislocations at a crack tip. HELP results in crack propagation by localised ductile failure at the crack tip with less deformation occurring in the surrounding material, which gives a brittle appearance to the fracture. Hydrogen enhanced decohesion (HEDE): Interstitial hydrogen lowers the stress required for metal atoms to fracture apart. HEDE can only occur when the local concentration of hydrogen is high, such as due to the increased hydrogen solubility in the tensile stress field at a crack tip, at stress concentrators, or in the tension field of edge dislocations. aluminium (at high temperatures only), and titanium. Austempered iron is also susceptible, though austempered steel (and possibly other austempered metals) displays increased resistance to hydrogen embrittlement. NASA has reviewed which metals are susceptible to embrittlement and which only prone to hot hydrogen attack: nickel alloys, austenitic stainless steels, aluminium and alloys, copper (including alloys, e. g. beryllium copper).]] Steel with an ultimate tensile strength of less than 1000 MPa (~145,000 psi) or hardness of less than HRC 32 on the Hardness Rockwell Scale is not generally considered susceptible to hydrogen embrittlement. As an example of severe hydrogen embrittlement, the elongation at failure of 17 4PH precipitation hardened stainless steel was measured to drop from 17% to only 1.7% when smooth specimens were exposed to high pressure hydrogen
Водородное охрупчивание (HE), также известное как водородное растрескивание или водородоиндуцированное растрескивание (HIC), – это снижение пластичности металла вследствие поглощенного водорода. Атомы водорода малы и могут проникать в твердые металлы. Поглощенный водород снижает напряжение, необходимое для зарождения и распространения трещин в металле, приводя к охрупчиванию. Водородное охрупчивание наиболее заметно проявляется в сталях, а также в железе, никеле, титане, кобальте и их сплавах. Медь, алюминий и нержавеющие стали менее восприимчивы к водородному охрупчиванию. Основные факты о природе водородного охрупчивания известны с XIX века. Для развития водородного охрупчивания необходимо наличие как атомного ("диффузионного") водорода, так и механического напряжения, вызывающего рост трещин, хотя это напряжение может быть приложенным или остаточным. Водородное охрупчивание усиливается при более низких скоростях деформирования. В целом, высокопрочные стали более восприимчивы к водородному охрупчиванию, чем стали средней прочности. Металлы могут подвергаться воздействию водорода из двух источников: газообразного водорода и водорода, химически образующегося на поверхности металла. Газообразный водород является молекулярным и не вызывает охрупчивания, хотя может вызывать горячую атаку водородом (см. ниже). Охрупчивание вызывает именно атомный водород, образующийся в результате химической реакции, поскольку он быстро растворяется в металле при комнатной температуре. Механизмы (их множество), посредством которых водород вызывает охрупчивание сталей, до конца не изучены и продолжают исследоваться. В последние годы широко признано, что водородное охрупчивание – сложный процесс, зависящий от материала и окружающей среды, поэтому ни один механизм не является универсальным.
Hydrogen embrittlement (HE), also known as hydrogen assisted cracking or hydrogen induced cracking (HIC), is a reduction in the ductility of a metal due to absorbed hydrogen. Hydrogen atoms are small and can permeate solid metals. Once absorbed, hydrogen lowers the stress required for cracks in the metal to initiate and propagate, resulting in embrittlement. Hydrogen embrittlement occurs most notably in steels, as well as in iron, nickel, titanium, cobalt, and their alloys. Copper, aluminium, and stainless steels are less susceptible to hydrogen embrittlement. The essential facts about the nature of hydrogen embrittlement have been known since the 19th century. Hydrogen embrittlement requires the presence of both atomic ("diffusible") hydrogen and a mechanical stress to induce crack growth, although that stress may be applied or residual. Hydrogen embrittlement increases at lower strain rates. In general, higher strength steels are more susceptible to hydrogen embrittlement than mid strength steels. Metals can be exposed to hydrogen from two types of sources: gaseous hydrogen and hydrogen chemically generated at the metal surface. Gaseous hydrogen is molecular hydrogen and does not cause embrittlement though it can cause hot hydrogen attack (see below). It is the atomic hydrogen from chemical attack which causes embrittlement because the atomic hydrogen dissolves quickly into the metal at room temperature. The mechanisms (there are many) by which hydrogen causes embrittlement in steels are not comprehensively understood and continue to be explored and studied. There is a great variety of mechanisms that have been proposed In recent years, it has become widely accepted that HE is a complex, material and environmental dependent process, so that no single mechanism applies exclusively. Hydrogen enhanced localised plasticity (HELP): Hydrogen increases the nucleation and movement of dislocations at a crack tip. HELP results in crack propagation by localised ductile failure at the crack tip with less deformation occurring in the surrounding material, which gives a brittle appearance to the fracture. Hydrogen enhanced decohesion (HEDE): Interstitial hydrogen lowers the stress required for metal atoms to fracture apart. HEDE can only occur when the local concentration of hydrogen is high, such as due to the increased hydrogen solubility in the tensile stress field at a crack tip, at stress concentrators, or in the tension field of edge dislocations. aluminium (at high temperatures only), and titanium. Austempered iron is also susceptible, though austempered steel (and possibly other austempered metals) displays increased resistance to hydrogen embrittlement. NASA has reviewed which metals are susceptible to embrittlement and which only prone to hot hydrogen attack: nickel alloys, austenitic stainless steels, aluminium and alloys, copper (including alloys, e. g. beryllium copper).]] Steel with an ultimate tensile strength of less than 1000 MPa (~145,000 psi) or hardness of less than HRC 32 on the Hardness Rockwell Scale is not generally considered susceptible to hydrogen embrittlement. As an example of severe hydrogen embrittlement, the elongation at failure of 17 4PH precipitation hardened stainless steel was measured to drop from 17% to only 1.7% when smooth specimens were exposed to high pressure hydrogen
Локализованное увеличение пластичности под воздействием водорода (HELP): Водород увеличивает зарождение и движение дислокаций на вершине трещины. HELP приводит к распространению трещины за счет локализованного пластического разрушения на ее вершине, при меньшей деформации окружающего материала, что придает перелому вид хрупкого.
Hydrogen embrittlement (HE), also known as hydrogen assisted cracking or hydrogen induced cracking (HIC), is a reduction in the ductility of a metal due to absorbed hydrogen. Hydrogen atoms are small and can permeate solid metals. Once absorbed, hydrogen lowers the stress required for cracks in the metal to initiate and propagate, resulting in embrittlement. Hydrogen embrittlement occurs most notably in steels, as well as in iron, nickel, titanium, cobalt, and their alloys. Copper, aluminium, and stainless steels are less susceptible to hydrogen embrittlement. The essential facts about the nature of hydrogen embrittlement have been known since the 19th century. Hydrogen embrittlement requires the presence of both atomic ("diffusible") hydrogen and a mechanical stress to induce crack growth, although that stress may be applied or residual. Hydrogen embrittlement increases at lower strain rates. In general, higher strength steels are more susceptible to hydrogen embrittlement than mid strength steels. Metals can be exposed to hydrogen from two types of sources: gaseous hydrogen and hydrogen chemically generated at the metal surface. Gaseous hydrogen is molecular hydrogen and does not cause embrittlement though it can cause hot hydrogen attack (see below). It is the atomic hydrogen from chemical attack which causes embrittlement because the atomic hydrogen dissolves quickly into the metal at room temperature. The mechanisms (there are many) by which hydrogen causes embrittlement in steels are not comprehensively understood and continue to be explored and studied. There is a great variety of mechanisms that have been proposed In recent years, it has become widely accepted that HE is a complex, material and environmental dependent process, so that no single mechanism applies exclusively. Hydrogen enhanced localised plasticity (HELP): Hydrogen increases the nucleation and movement of dislocations at a crack tip. HELP results in crack propagation by localised ductile failure at the crack tip with less deformation occurring in the surrounding material, which gives a brittle appearance to the fracture. Hydrogen enhanced decohesion (HEDE): Interstitial hydrogen lowers the stress required for metal atoms to fracture apart. HEDE can only occur when the local concentration of hydrogen is high, such as due to the increased hydrogen solubility in the tensile stress field at a crack tip, at stress concentrators, or in the tension field of edge dislocations. aluminium (at high temperatures only), and titanium. Austempered iron is also susceptible, though austempered steel (and possibly other austempered metals) displays increased resistance to hydrogen embrittlement. NASA has reviewed which metals are susceptible to embrittlement and which only prone to hot hydrogen attack: nickel alloys, austenitic stainless steels, aluminium and alloys, copper (including alloys, e. g. beryllium copper).]] Steel with an ultimate tensile strength of less than 1000 MPa (~145,000 psi) or hardness of less than HRC 32 on the Hardness Rockwell Scale is not generally considered susceptible to hydrogen embrittlement. As an example of severe hydrogen embrittlement, the elongation at failure of 17 4PH precipitation hardened stainless steel was measured to drop from 17% to only 1.7% when smooth specimens were exposed to high pressure hydrogen
Водородное усиление декогезии (HEDE): Интерстициальный водород снижает напряжение, необходимое для разрушения связи между атомами металла. HEDE может происходить только при высокой локальной концентрации водорода, например, из-за повышенной растворимости водорода в поле растягивающих напряжений на вершине трещины, в концентраторах напряжений или в поле напряжений краевых дислокаций. Алюминий (только при высоких температурах) и титан также подвержены этому типу охрупчивания. Облегченное железо также восприимчиво, однако облегченная сталь (и, возможно, другие облегченные металлы) проявляет повышенную устойчивость к водородному охрупчиванию. NASA проанализировал восприимчивость различных металлов к охрупчиванию и к горячей атаке водородом: никелевые сплавы, аустенитные нержавеющие стали, алюминий и его сплавы, медь (включая сплавы, например, бериллиевую бронзу).
Hydrogen embrittlement (HE), also known as hydrogen assisted cracking or hydrogen induced cracking (HIC), is a reduction in the ductility of a metal due to absorbed hydrogen. Hydrogen atoms are small and can permeate solid metals. Once absorbed, hydrogen lowers the stress required for cracks in the metal to initiate and propagate, resulting in embrittlement. Hydrogen embrittlement occurs most notably in steels, as well as in iron, nickel, titanium, cobalt, and their alloys. Copper, aluminium, and stainless steels are less susceptible to hydrogen embrittlement. The essential facts about the nature of hydrogen embrittlement have been known since the 19th century. Hydrogen embrittlement requires the presence of both atomic ("diffusible") hydrogen and a mechanical stress to induce crack growth, although that stress may be applied or residual. Hydrogen embrittlement increases at lower strain rates. In general, higher strength steels are more susceptible to hydrogen embrittlement than mid strength steels. Metals can be exposed to hydrogen from two types of sources: gaseous hydrogen and hydrogen chemically generated at the metal surface. Gaseous hydrogen is molecular hydrogen and does not cause embrittlement though it can cause hot hydrogen attack (see below). It is the atomic hydrogen from chemical attack which causes embrittlement because the atomic hydrogen dissolves quickly into the metal at room temperature. The mechanisms (there are many) by which hydrogen causes embrittlement in steels are not comprehensively understood and continue to be explored and studied. There is a great variety of mechanisms that have been proposed In recent years, it has become widely accepted that HE is a complex, material and environmental dependent process, so that no single mechanism applies exclusively. Hydrogen enhanced localised plasticity (HELP): Hydrogen increases the nucleation and movement of dislocations at a crack tip. HELP results in crack propagation by localised ductile failure at the crack tip with less deformation occurring in the surrounding material, which gives a brittle appearance to the fracture. Hydrogen enhanced decohesion (HEDE): Interstitial hydrogen lowers the stress required for metal atoms to fracture apart. HEDE can only occur when the local concentration of hydrogen is high, such as due to the increased hydrogen solubility in the tensile stress field at a crack tip, at stress concentrators, or in the tension field of edge dislocations. aluminium (at high temperatures only), and titanium. Austempered iron is also susceptible, though austempered steel (and possibly other austempered metals) displays increased resistance to hydrogen embrittlement. NASA has reviewed which metals are susceptible to embrittlement and which only prone to hot hydrogen attack: nickel alloys, austenitic stainless steels, aluminium and alloys, copper (including alloys, e. g. beryllium copper).]] Steel with an ultimate tensile strength of less than 1000 MPa (~145,000 psi) or hardness of less than HRC 32 on the Hardness Rockwell Scale is not generally considered susceptible to hydrogen embrittlement. As an example of severe hydrogen embrittlement, the elongation at failure of 17 4PH precipitation hardened stainless steel was measured to drop from 17% to only 1.7% when smooth specimens were exposed to high pressure hydrogen
Сталь с пределом прочности на разрыв менее 1000 МПа (~145 000 psi) или твердостью менее HRC 32 по шкале Роквелла обычно не считается восприимчивой к водородному охрупчиванию. В качестве примера сильного водородного охрупчивания, удлинение при разрушении 17-4PH осадко-закаленной нержавеющей стали было зафиксировано снижением с 17% до 1,7% при испытании гладких образцов, подвергшихся воздействию водорода под высоким давлением.
Hydrogen embrittlement (HE), also known as hydrogen assisted cracking or hydrogen induced cracking (HIC), is a reduction in the ductility of a metal due to absorbed hydrogen. Hydrogen atoms are small and can permeate solid metals. Once absorbed, hydrogen lowers the stress required for cracks in the metal to initiate and propagate, resulting in embrittlement. Hydrogen embrittlement occurs most notably in steels, as well as in iron, nickel, titanium, cobalt, and their alloys. Copper, aluminium, and stainless steels are less susceptible to hydrogen embrittlement. The essential facts about the nature of hydrogen embrittlement have been known since the 19th century. Hydrogen embrittlement requires the presence of both atomic ("diffusible") hydrogen and a mechanical stress to induce crack growth, although that stress may be applied or residual. Hydrogen embrittlement increases at lower strain rates. In general, higher strength steels are more susceptible to hydrogen embrittlement than mid strength steels. Metals can be exposed to hydrogen from two types of sources: gaseous hydrogen and hydrogen chemically generated at the metal surface. Gaseous hydrogen is molecular hydrogen and does not cause embrittlement though it can cause hot hydrogen attack (see below). It is the atomic hydrogen from chemical attack which causes embrittlement because the atomic hydrogen dissolves quickly into the metal at room temperature. The mechanisms (there are many) by which hydrogen causes embrittlement in steels are not comprehensively understood and continue to be explored and studied. There is a great variety of mechanisms that have been proposed In recent years, it has become widely accepted that HE is a complex, material and environmental dependent process, so that no single mechanism applies exclusively. Hydrogen enhanced localised plasticity (HELP): Hydrogen increases the nucleation and movement of dislocations at a crack tip. HELP results in crack propagation by localised ductile failure at the crack tip with less deformation occurring in the surrounding material, which gives a brittle appearance to the fracture. Hydrogen enhanced decohesion (HEDE): Interstitial hydrogen lowers the stress required for metal atoms to fracture apart. HEDE can only occur when the local concentration of hydrogen is high, such as due to the increased hydrogen solubility in the tensile stress field at a crack tip, at stress concentrators, or in the tension field of edge dislocations. aluminium (at high temperatures only), and titanium. Austempered iron is also susceptible, though austempered steel (and possibly other austempered metals) displays increased resistance to hydrogen embrittlement. NASA has reviewed which metals are susceptible to embrittlement and which only prone to hot hydrogen attack: nickel alloys, austenitic stainless steels, aluminium and alloys, copper (including alloys, e. g. beryllium copper).]] Steel with an ultimate tensile strength of less than 1000 MPa (~145,000 psi) or hardness of less than HRC 32 on the Hardness Rockwell Scale is not generally considered susceptible to hydrogen embrittlement. As an example of severe hydrogen embrittlement, the elongation at failure of 17 4PH precipitation hardened stainless steel was measured to drop from 17% to only 1.7% when smooth specimens were exposed to high pressure hydrogen
Медь
Медные сплавы, содержащие кислород, могут становиться хрупкими при воздействии горячего водорода. Водород диффундирует сквозь медь и реагирует с включениями оксидов, образуя 2 атома металлической меди и воду, которая затем формирует пузырьки под давлением на границах зерен. Этот процесс может привести к тому, что зерна будут буквально отталкиваться друг от друга, и известен как водородное охрупчивание (поскольку пар образуется непосредственно внутри кристаллической решетки меди, а не из-за воздействия внешнего пара на медь).
Ванадий, никель и титан
Сплавы ванадия, никеля и титана обладают высокой растворимостью по водороду и, следовательно, способны поглощать значительные его количества. Это может приводить к образованию гидридов, вызывающих неравномерное расширение объема и снижение пластичности (так как металлические гидриды – хрупкие керамические материалы). Это представляет особую проблему при поиске непалладиевых сплавов для применения в мембранах для разделения водорода.
Утомление
Хотя большинство случаев разрушения на практике были связаны с быстрым разрушением, имеются экспериментальные данные, свидетельствующие о влиянии водорода на усталостные свойства сталей. Это вполне ожидаемо, учитывая природу механизмов охрупчивания, предложенных для объяснения быстрого разрушения. В одном случае разрушения во время строительства моста Сан-Франциско — Оклендский залив оцинкованные (то есть цинкованные) стержни оставались влажными в течение 5 лет перед натяжением. Реакция цинка с водой привела к проникновению водорода в сталь. Чтобы избежать образования атомарного водорода в высокотемпературной плазме дуги, сварочные стержни необходимо тщательно просушивать в печи при соответствующей температуре и в течение определенного времени перед использованием. Другой способ минимизировать образование водорода — использовать специальные электроды с низким содержанием водорода для сварки высокопрочных сталей. Помимо дуговой сварки, наиболее распространенные проблемы возникают в результате химических или электрохимических процессов, которые, посредством восстановления ионов водорода или воды, генерируют атомы водорода на поверхности, которые быстро растворяются в металле. Одна из таких химических реакций включает сероводород при коррозионном растрескивании под воздействием сероводорода (SSC), что является серьезной проблемой для нефтегазовой промышленности. После производственного процесса или обработки, которые могут привести к проникновению водорода, компонент следует подвергать отжигу для удаления или инактивации водорода. Для быстрого определения минимального времени отжига можно использовать такие испытания, как ASTM F1624 (при проведении испытаний с использованием планирования эксперимента для определения этого значения можно использовать относительно небольшое количество образцов). Затем тот же тест можно использовать в качестве контроля качества для оценки достаточности отжига для каждой партии. В случае сварки часто применяют предварительный и последующий нагрев металла, чтобы обеспечить диффузию водорода до того, как он сможет вызвать повреждения. Это особенно важно для высокопрочных и низколегированных сталей, таких как сплавы на основе хрома, молибдена и ванадия. Из-за времени, необходимого для рекомбинации атомов водорода в молекулы водорода, водородное растрескивание, вызванное сваркой, может происходить в течение 24 часов после завершения сварочной операции. Другой способ предотвратить эту проблему — правильный выбор материалов. Это обеспечит присущую устойчивость к этому процессу и снизит потребность в последующей обработке или постоянном мониторинге на предмет разрушений. Некоторые металлы или сплавы особенно восприимчивы к этой проблеме, поэтому выбор материала, который минимально подвержен ее воздействию, при сохранении требуемых свойств, также обеспечит оптимальное решение. Проведено множество исследований для каталогизации совместимости различных металлов с водородом. Испытания, такие как ASTM F1624, также могут использоваться для ранжирования сплавов и покрытий при выборе материалов, чтобы гарантировать (например), что порог растрескивания ниже порога для коррозионного растрескивания под воздействием водорода. Аналогичные испытания также могут использоваться при контроле качества для более эффективной квалификации производимых материалов в быстром и сопоставимом режиме.
Поверхностные покрытия
Покрытия выступают в качестве барьера между металлической подложкой и окружающей средой, препятствуя проникновению атомов водорода. Эти покрытия могут быть нанесены различными методами, такими как электроосаждение, покрытия химического преобразования или органические покрытия. Выбор покрытия зависит от таких факторов, как тип металла, условия эксплуатации и специфические требования применения. Электроосаждение – широко используемый метод нанесения защитного слоя на металлическую поверхность. Этот процесс включает погружение металлической подложки в электролитный раствор, содержащий ионы металла. При подаче электрического тока ионы металла восстанавливаются и образуют металлическое покрытие на подложке. Электроосаждение может обеспечить отличный защитный слой, повышающий коррозионную стойкость и снижающий восприимчивость к водородному охрупчиванию. Покрытия химического преобразования – еще один эффективный метод защиты поверхности. Эти покрытия обычно формируются в результате химических реакций между металлической подложкой и химическим раствором. Покрытие химического преобразования реагирует с металлической поверхностью, образуя тонкий, плотно прилегающий защитный слой. Примеры покрытий химического преобразования включают хроматные, фосфатные и оксидные покрытия. Эти покрытия не только создают барьер против диффузии водорода, но и повышают коррозионную стойкость металла. Органические покрытия, такие как краски или полимерные покрытия, обеспечивают дополнительную защиту от водородного охрупчивания. Эти покрытия формируют физический барьер между металлической поверхностью и окружающей средой. Они обеспечивают отличную адгезию, гибкость и устойчивость к воздействию факторов окружающей среды. Органические покрытия могут быть нанесены различными способами, включая распыление, окунание или нанесение порошковым покрытием. Их можно модифицировать добавками для дальнейшего повышения устойчивости к проникновению водорода. Термически напыляемые покрытия обладают рядом преимуществ в контексте предотвращения водородного охрупчивания. Материалы покрытий, используемые в этом процессе, часто состоят из материалов с высокой устойчивостью к диффузии водорода, таких как керамика или керамические композиты. Эти материалы имеют низкую проницаемость для водорода, создавая надежный барьер против проникновения водорода в металлическую подложку.
Заметные неисправности от гидрогеноразлагания
В 2013 году, за шесть месяцев до открытия, восточный пролет моста Окленд-Бэй не выдержал испытаний. Катастрофические разрушения произошли в сдвиговых болтах всего через две недели после начала эксплуатации, причиной чего было хрупкое разрушение (см. подробности выше).