7.2 Влияние поглощения водорода на механические свойства.

Водород оказывает слабое влияние на предел прочности и предел текучести железа и стали. Более значительным и характерным является сильное уменьшение пластичности стали. Это означает, что истинное сопротивление разрыву по мере насыщения металла водородом сильно уменьшается и склонность к хрупкому разрушению повышается.

Насыщенное водородом железо ведет себя аналогично железу, подверг­нутому сильным внутренним многоосным напряжениям, что также со­гласуется с представлением о «насильственном» внедрении атомов во­дорода в решетку твердого раствора. Наличие внутренних напряжений, связанных с присутствием водорода, подтверждается также увеличением коэрцитивной силы железа, насыщенного водородом. Путем нагрева на 100°С, а еще лучше на 200°С, механические свойства стали можно сравнительно быстро привести к нормальным значениям. При комнатной же температуре удаление водорода происхо­дит весьма медленно (рис. 16). Только при очень длительном и повторном насыщении водородом наблюдается остаточное ухудшение механи­ческих свойств стали, которое обусловливается большими скоплениями водорода в местах повреждения решетки. Возможно, что в этом случае происходит химическая реакция водорода с углеродом.

Рис. 16. Уменьшение содержания водорода и повышение вязкости сердцевины болтов диаметром 100 мм в процессе вылеживания при комнатной температуре

Отдельные эксперименты указывают на то, что вызываемая водородом хрупкость железа может быть устранена охлаждением до весьма низких температур, например в жидком воздухе.

О причине водородной хрупкости стали нет еще ясного представления. Результаты многочисленных исследований в связи с образованием флокенов не всегда сравнимы и частично противоречивы. Влияние водорода становится заметным в начальный момент пластической деформации, а в упругой области не сказывается.

Следует скорее принять за основу явления совместного действия диффузии водорода и движения дислокаций. Так как водород образует твердый раствор внедрения, атомы его, подобно атомам углерода, располагаются в решетке преимущественно в местах ее нарушения, особенно в дислокациях. Пластическая деформация при комнатной температуре настолько ускоряет диффузию водорода, что он следует за дислокациями и собирается в местах их скопления, встречая на своем пути препятствия. В таких местах, особенно если там из-за высоких напряжений возникнут надрывы, водород может очень быстро выделяться в молекулярном состоянии, причем давление его достигает очень большой величины (кстати, механизм Эванса объясняет коррозию именно с позиций влияния водорода). Таким путем водород облегчает в этих участках развитие разрыва металла при достижении высокого напряжения, причем сколько-нибудь заметная шейка не успевает еще образоваться.

Рис. 17 Зависимость истинного удлинения при разрушении от скорости растяжения.

Эти гипотезы позволяют объяснить зависимость охрупчивания от температуры и скорости деформации. Если скорость деформирования настолько велика, что атомы водорода не могут больше следовать за распространением дислокаций, то охрупчивание не должно проявляться. Так в действительности и происходит: с повышением скорости растяже­ния степень охрупчивания сильно понижается (рис. 17).

Хрупкость, обусловленная водородом, проявляется тем резче, чем выше прочность (твердость) материала. Следует обратить внимание на то, что в более прочном материале упругие искажения в начальной фазе пластической деформации больше, чем в более мягком. Но даже при одинаковой прочности чрезвычайно большое влияние на водородную хрупкость оказывает структура материала. Наибольшее охрупчивание наблюдается на закаленной стали с чисто мартенситной структурой вы­сокой твердости. Это вполне соответствует тому, что в таком состоянии становится особенно заметной добавочная, т. е. обусловленная водородом хрупкость. Сильная склонность к охрупчиванию сохраняется даже после отпуска при 550°С. Далее, сталь, отожженная на зернистый перлит, оказывается более восприимчивой к водородному охрупчиванию, чем сталь, обладающая структурой пластинчатого перлита. Вообще же склонность сталей к хрупкому излому особенно высока тогда, когда по структуре они соответствуют расширенной, по возможности, непрерыв­ной ферритной области.

Принципиально по-иному ведут себя аустенитиые стали. Несмотря на большую растворимость водорода, они не подвержены водородной хрупкости. Это можно объяснить малой скоростью диффузии, гранецентрированной решеткой, которая вообще не так легко может быть переведена в хрупкое состояние, и изотропным залеганием атомов водорода в центре куба.

Анализ приведенных данных показывает, что еще нельзя считать до­статочно точно установленным механизм охрупчивания под влиянием водорода, однако пути и средства устранения этого явления известны. Необходимо учитывать, что наряду с содержанием водорода в стали действует ряд других факторов:

1. легирование;

2. термическая обработка;

3. структура и прочность;

4. предшествующая деформа­ция.

Далее, необходимо учитывать вид испытания и скорость нагружения, температуру испытания и направление приложенной нагрузки при строчечной структуре. На практике стремятся получать в стали по воз­можности мало водорода посредством тщательного контроля условий плавки и печной атмосферы при отжиге. Следует также стремиться к со­зданию наиболее благоприятной структуры стали, например высокоотпущенного мартенсита или пластинчатого перлита, а также заботиться о достаточном снижении внутренних напряжений. Необходимо тщательно изучать процесс травления, особенно промежуточного между другими технологическими операциями, и постоянно помнить о том, что различ­ные травильные кислоты действуют на материал по-разному. Так, соля­ная кислота лучше растворяет окалину, а серная кислота, благодаря об­разованию водорода, вызывает ее отскакивание и т. д.2. Протравлен­ные заготовки, особенно обладающие повышенной твердостью, должны по возможности подвергаться отпуску при 100—200°С.