Водородной хрупкости - Hydrogen embrittlement

Трещины, вызванные водородом (HIC)
Стали охрупчивались водородом посредством катодной зарядки. Для снижения содержания водорода применялась термическая обработка (обжиг). Меньшее время обжига привело к более короткому времени разрушения из-за более высокого содержания водорода.[1]

Водородной хрупкости (HE) также известный как крекинг с водородом (HAC) и водородное растрескивание (HIC) описывает охрупчивание металла после воздействия водород. Это сложный процесс, который до конца не изучен из-за разнообразия и сложности механизмов, которые могут привести к хрупкости. Механизмы, которые были предложены для объяснения охрупчивания, включают образование хрупких гидриды, создание пустот, которые могут привести к образованию пузырьков и увеличению давления в материале, а также к усилению декогезии или локальной пластичности, которые способствуют распространению трещин.[2]

Для возникновения водородного охрупчивания требуется сочетание трех условий:

  1. наличие и диффузия водорода
  2. восприимчивый материал
  3. стресс

Водород часто вводится во время производства при таких операциях, как формирование, покрытие, покрытие или чистка. Со временем также может быть введен водород (внешнее охрупчивание) в результате воздействия окружающей среды (почвы и химикаты, включая воду), коррозионных процессов (особенно гальваническая коррозия ) в том числе коррозия покрытия и катодная защита.

Явление водородного охрупчивания было впервые описано в 1875 году.[3]

Механизмы

Во время водородного охрупчивания водород попадает на поверхность металла и отдельные атомы водорода.[нужна цитата ] диффундируют через металлическую структуру. Поскольку растворимость водорода увеличивается при более высоких температурах, повышение температуры может увеличить диффузию водорода. При поддержке градиента концентрации, когда снаружи металла значительно больше водорода, чем внутри, диффузия водорода может происходить даже при более низких температурах.

Было предложено множество механизмов:[2]

Внутреннее давление:
Адсорбированные частицы водорода рекомбинируют с образованием молекул водорода, создавая давление внутри металла. Это давление может увеличиваться до уровней, при которых металл имеет пониженную пластичность, ударную вязкость и предел прочности на разрыв, вплоть до точки, где он растрескивается (водородное растрескивание, или HIC).[4]

Образование гидрида металла:
Образование хрупких гидридов с исходным материалом позволяет трещинам распространяться хрупким образом.

Фазовые превращения:
В присутствии водорода в некоторых материалах происходят фазовые превращения.

Декогезия, усиленная водородом:
Декогезия, усиленная водородом (HEDE), при которой прочность атомных связей исходного материала снижается.

Повышенная водородом локальная пластичность:
Повышенная водородом локализованная пластичность (HELP) - это процесс, при котором генерация и движение дислокаций усиливается и приводит к локализованной деформации, например, на вершине трещины, увеличивая распространение трещины с меньшей деформацией в окружающем материале, придавая хрупкий вид поверхности. перелом. Эксперименты показали, что неподвижные дислокации начинают двигаться, когда молекулярный водород диссоциирует и поглощается предварительно деформированным материалом.

Образование вакансий, усиленное водородом:
Производство вакансий может быть увеличено в присутствии водорода, но поскольку вакансии не могут быть легко устранены, это предложение несовместимо с наблюдениями, удаление водорода снижает охрупчивание.

Эмиссия дислокаций, усиленная водородом:
Эмиссия дислокаций, усиленная водородом, предполагает, что водород адсорбируется на поверхности и позволяет дислокациям генерироваться при более низких уровнях напряжения, тем самым повышая уровень локализованной пластичности на вершине трещины, позволяя ей распространяться более свободно.

Материальная восприимчивость

Водород охрупчивает различные вещества, включая сталь,[5][6][7] алюминий (только при высоких температурах[8]), и титан.[9] Austempered железо также восприимчиво, хотя закаленная сталь (и, возможно, другие закаленные металлы) демонстрируют повышенную стойкость к водородному охрупчиванию.[10]

В ходе испытаний на растяжение, проведенных на нескольких конструкционных металлах в среде молекулярного водорода высокого давления, было показано, что аустенитные нержавеющие стали, алюминий (включая сплавы), медь (включая сплавы, например бериллий медь ) не подвержены водородному охрупчиванию вместе с некоторыми другими металлами.[11][12]

Стали

Если сталь подвергается воздействию водорода при высоких температурах, водород будет диффундировать в сплав и в сочетании с углерод образовывать крошечные карманы метан на внутренних поверхностях, таких как границы зерен и пустоты. Этот метан не диффундирует из металла, а собирается в пустотах под высоким давлением и вызывает трещины в стали. Этот селективное выщелачивание процесс известен как водородная атака, или высокотемпературная водородная атака, и приводит к обезуглероживание стали и потеря прочности и пластичности.

Сталь с непревзойденным предел прочности менее 1000 МПа (~ 145000 фунтов на квадратный дюйм) или твердость менее 32 HRC обычно не считается чувствительным к водородной хрупкости. Как пример сильной водородной хрупкости, удлинение при разрыве осаждения 17-4PH затвердевает. нержавеющая сталь было измерено, что оно упало с 17% до 1,7%, когда гладкие образцы подвергались воздействию водорода под высоким давлением.

По мере увеличения прочности сталей повышается склонность к водородному охрупчиванию. В высокопрочных сталях все, что превышает твердость HRC 32, может быть подвержено преждевременному водородному растрескиванию после процессов нанесения покрытия, в которых вводится водород. Они также могут испытывать долгосрочные отказы в любое время от нескольких 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.

Медь

Медные сплавы, содержащие кислород, могут охрупчиваться под воздействием горячего водорода. Водород диффундирует через медь и реагирует с включениями Cu.2O, образуя H2O (воды ), который 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 пар образуется, а не потому, что воздействие пара вызывает проблему).

Ванадий, никель и титан

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.[13]

Источники водорода

Существует множество источников водородного охрупчивания, однако их можно разделить на две категории в зависимости от того, как водород вводится в металл; Внутреннее водородное охрупчивание (IHE) и водородное охрупчивание окружающей среды (HEE). Первая категория - это водород, уже присутствующий в металле с момента создания, а вторая категория - водород, введенный из окружающей среды, в которой находится металл. Примеры внутреннего водородного охрупчивания включают такие процессы, как литье, карбонизация, очистка поверхности, травление, гальваника. , электрохимическая обработка, сварка, профилирование и термообработка. Примеры водородной экологической хрупкости включают обычную коррозию в результате воздействия окружающей среды или неправильного применения различных мер защиты.[14]

Водородное охрупчивание может происходить во время различных производственных операций или эксплуатационного использования - везде, где металл вступает в контакт с атомарным или молекулярным водородом. Процессы, которые могут привести к этому, включают катодная защита, фосфатирование, травление, и гальваника. Особый случай дуговая сварка, в котором водород выделяется из влаги, например, при покрытии сварочных электродов.[9][15] Чтобы свести это к минимуму, для сварки высокопрочных сталей используются специальные электроды с низким содержанием водорода. Другие механизмы введения водорода в металл: гальваническая коррозия, а также химические реакции с кислотами или другими химическими веществами. Одна из этих химических реакций включает сероводород в сульфидное растрескивание под напряжением (SSC), серьезная проблема для нефтегазовой отрасли.[16]

Профилактика

Водородное охрупчивание можно предотвратить с помощью нескольких методов, все из которых направлены на минимизацию 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.[17]

Если металл еще не начал трескаться, водородную хрупкость можно обратить вспять, удалив источник водорода и заставив водород внутри металла диффундировать наружу посредством термообработки.[18] Этот процесс уменьшения хрупкости, известный как «обжиг», используется для преодоления недостатков таких методов, как гальваника, которые вводят водород в металл, но не всегда полностью эффективен, поскольку должны быть достигнуты достаточное время и температура.[19] Такие тесты, как ASTM F1624, можно использовать для быстрого определения минимального времени выпечки (путем тестирования с использованием дизайн экспериментов, для точного определения этого значения можно использовать относительно небольшое количество выборок). 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 сделано специально для высокопрочных сталей и низколегированные стали такие 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.[20]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 способом.

Тестирование

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.

Есть множество ASTM стандарты испытаний на водородное охрупчивание:

  • ASTM B577 - это Стандартные методы испытаний для обнаружения оксида меди (предрасположенность к водородной хрупкости) в меди. Испытание фокусируется на водородном охрупчивании медных сплавов, включая металлографическую оценку (метод A), испытание в камере, заряженной водородом, с последующей металлографией (метод B), а метод C аналогичен B, но включает испытание на изгиб.
  • ASTM B839 - это Стандартный метод испытаний на остаточное охрупчивание изделий с металлическим покрытием, изделий с внешней резьбой, крепежных деталей и метод клина с наклонным стержнем.
  • ASTM F519 - это Стандартный метод испытаний для оценки механической водородной хрупкости процессов нанесения покрытия / нанесения покрытий и условий эксплуатации. Существует 7 различных конструкций образцов, и два наиболее распространенных теста - это (1) экспресс-тест, тест на возрастающую ступенчатую нагрузку (RSL) в соответствии с ASTM F1624 и (2) испытание на длительную нагрузку, которое занимает 200 часов. Тест с устойчивой нагрузкой по-прежнему включен во многие устаревшие стандарты, но метод RSL все чаще применяется из-за скорости, повторяемости и количественного характера теста. Метод RSL позволяет точно оценить влияние водорода как из внутренних, так и внешних источников.
  • ASTM F1459 - это Стандартный метод испытаний для определения чувствительности металлических материалов к испытанию на охрупчивание газообразным водородом (HGE).[21] В тесте используется диафрагма, нагруженная перепадом давления.
  • ASTM G142 - это Стандартный метод испытаний для определения предрасположенности металлов к охрупчиванию в водородсодержащих средах при высоком давлении, высокой температуре или обоих факторах.[22] В испытании используется цилиндрический образец на растяжение, испытанный в оболочке, находящейся под давлением водорода или гелий.
  • ASTM F1624 - это Стандартный метод испытаний для измерения порога водородной хрупкости в стали методом пошагового нагружения. В испытании используется метод возрастающей ступенчатой ​​нагрузки (ISL) или возрастающей ступенчатой ​​нагрузки (RSL) для количественного тестирования порогового напряжения водородного охрупчивания для начала водородно-индуцированного растрескивания из-за металлических покрытий и покрытий из-за внутреннего водородного охрупчивания (IHE) и водорода в окружающей среде. Охрупчивание (EHE).[23][24] F1624 обеспечивает быструю количественную оценку воздействия водорода как из внутренних, так и из внешних источников (что достигается путем приложения выбранного напряжения в электрохимической ячейке). Испытание F1624 выполняется путем сравнения стандартной прочности на разрыв при быстром разрушении с прочностью на излом при испытании на возрастающую ступенчатую нагрузку, когда нагрузка удерживается в течение часа (часов) на каждом этапе. Во многих случаях это можно сделать за 30 часов или меньше.
  • ASTM F1940 - это Стандартный метод испытаний для проверки управления процессом с целью предотвращения водородной хрупкости в гальванических или покрытых крепежных изделиях.[25] Хотя название теперь явно включает слово «застежки», F1940 изначально не предназначался для этих целей. F1940 основан на методе F1624 и аналогичен F519, но с другим радиусом корня и коэффициентами концентрации напряжений. Когда образцы демонстрируют пороговое значение растрескивания, равное 75% от чистой прочности на излом, гальваническая ванна считается «не охрупчивающей».

Есть много других связанных стандартов водородной хрупкости:

  • NACE TM0284-2003 (NACE International ) Стойкость к водородному растрескиванию
  • ISO 11114-4: 2005 (ISO ) Методы испытаний для выбора металлических материалов, устойчивых к водородной хрупкости.
  • Стандартный метод испытаний для оценки механической водородной хрупкости процессов нанесения покрытия / нанесения покрытий и условий эксплуатации[26]

Заметные отказы от водородного охрупчивания

  • В 2013 году, за шесть месяцев до открытия, Восточный пролет моста через залив Окленд не удалось во время тестирования. Катастрофические сбои произошли в срезные болты в промежутке, всего после двух недель эксплуатации, с отказом, связанным с охрупчиванием, возможно, из-за окружающей среды.[27]
  • в Лондонский Сити, 122 Лиденхолл-стрит, широко известный как «Cheesegrater», пострадало от водородного охрупчивания множества стальных болтов, при этом три болта вышли из строя в 2014 и 2015 годах. Были начаты обширные ремонтные работы.[28]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Морле, Дж. Г. (1958). «Новая концепция водородного охрупчивания сталей». Журнал Института железа и стали. 189: 37.
  2. ^ а б Робертсон, Ян М .; Софронис, П .; Nagao, A .; Martin, M. L .; Wang, S .; Gross, D. W .; Нигрен, К. Э. (2015). «Понятие водородной хрупкости». Металлургические операции и операции с материалами A. 46A: 2323–2341.
  3. ^ «Исследование раскрывает причины водородного охрупчивания» (Пресс-релиз). Университет Макгилла. 19 ноября 2012 г.. Получено 20 ноября, 2012.
  4. ^ Вергани, Лаура; Коломбо, Кьяра; и другие. (2014). «Влияние водорода на усталостное поведение закаленной и отпущенной стали». Разработка процедур. 74 (XVII Международный коллоквиум по механической усталости металлов (ICMFM17)): 468–71. Дои:10.1016 / j.proeng.2014.06.299.
  5. ^ Djukic, M.B .; и другие. (2014). «Водородное охрупчивание низкоуглеродистой конструкционной стали». Процедуры материаловедения. 3 (20-я Европейская конференция по переломам): 1167–1172. Дои:10.1016 / j.mspro.2014.06.190.
  6. ^ Djukic, M.B .; и другие. (2015). «Водородное повреждение сталей: тематическое исследование и модель водородного охрупчивания». Анализ технических отказов. 58 (Недавние тематические исследования по анализу технических отказов): 485–498. Дои:10.1016 / j.engfailanal.2015.05.017.
  7. ^ Джукич, Милош Б .; и другие. (2016). «Водородная хрупкость промышленных компонентов: прогноз, предотвращение и модели». Коррозия. 72 (7, Взлом с помощью окружающей среды): 943–961. Дои:10.5006/1958.
  8. ^ Амбат, Раджан; Дваракадаса (февраль 1996 г.). «Влияние водорода на алюминий и алюминиевые сплавы: обзор». Бюллетень материаловедения. 19 (1): 103–114. Дои:10.1007 / BF02744792.
  9. ^ а б Эберхарт, Марк (2003). Почему вещи ломаются. Нью-Йорк: Книги Гармонии. п.65. ISBN  978-1-4000-4760-4.
  10. ^ Тарталья, Джон; Лаццари, Кристен; и другие. (Март 2008 г.). "Сравнение механических свойств и устойчивости к водородному охрупчиванию безотпечных против Закаленная и отпущенная сталь 4340 ». Металлургические операции и операции с материалами A. 39 (3): 559–76. Bibcode:2008MMTA ... 39..559T. Дои:10.1007 / s11661-007-9451-8. ISSN  1073-5623.
  11. ^ Джеветт, Р. П. (1973). Охрупчивание металлов водородной средой. НАСА CR-2163.
  12. ^ Gillette, J.L .; Колпа, Р.Л. (ноябрь 2007 г.). «Обзор межгосударственных водородных трубопроводных систем» (PDF). Получено 2013-12-16.
  13. ^ Долан, Майкл Д .; Кочанек, Марк А .; Маннингс, Кристофер Н .; МакЛеннан, Кейт Дж .; Виано, Дэвид М. (февраль 2015 г.). «Гидридные фазовые равновесия в мембранах из сплава V – Ti – Ni». Журнал сплавов и соединений. 622: 276–281. Дои:10.1016 / j.jallcom.2014.10.081.
  14. ^ НАСА (2016). "Хрупкость водорода" (PDF). Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  15. ^ Веман, Клас (2011). Справочник по сварочным процессам. Эльзевир. п. 115. ISBN  978-0-85709-518-3.
  16. ^ «Стандартный метод испытаний для проверки управления процессом для предотвращения водородной хрупкости в гальванических или покрытых крепежных изделиях». Astm.org. Получено 24 февраля 2015.
  17. ^ Главный участник: Клайв Д. Пирс (2006). «Водородное охрупчивание: обзор с точки зрения механических креплений» (PDF). Ассоциация инженеров и исследований крепежа. Конфедерация британской металлообработки. Получено 9 мая 2015.
  18. ^ Чалафтрис, Джордж (декабрь 2003 г.). "Абстрактный". Оценка покрытий на основе алюминия для замены кадмия (Кандидатская диссертация). Школа промышленных и производственных наук Университета Крэнфилда. HDL:1826/103.
  19. ^ Федеральное инженерное и проектное сопровождение. «Хрупкость» (PDF). Фастеналь. Инженерный отдел компании Fastenal. Получено 9 мая 2015.
  20. ^ Марчи, С. Сан (2012). «Технический справочник по водородной совместимости материалов» (PDF).
  21. ^ «ASTM F1459 - 06 (2012): Стандартный метод испытаний для определения предрасположенности металлических материалов к водородному охрупчиванию (HGE)». Astm.org. Получено 2015-02-24.
  22. ^ «ASTM G142 - 98 (2011) Стандартный метод испытаний для определения предрасположенности металлов к охрупчиванию в водородсодержащих средах при высоком давлении, высокой температуре или обоих». Astm.org. Получено 2015-02-24.
  23. ^ ASTM STP 543, «Испытания на водородную хрупкость»
  24. ^ Раймонд Л. (1974). Испытания на водородное охрупчивание. ASTM International. ISBN  978-0-8031-0373-3.
  25. ^ «ASTM F1940 - 07a (2014) Стандартный метод испытаний для проверки управления процессом для предотвращения водородной хрупкости в гальванических или покрытых крепежных изделиях». Astm.org. Получено 2015-02-24.
  26. ^ "ASTM F519 - 17a Стандартный метод испытаний для оценки механической водородной хрупкости процессов нанесения покрытия / нанесения покрытия и условий эксплуатации". www.astm.org. Получено 21 апреля 2018.
  27. ^ Юн Чунг (2 декабря 2014 г.). «Срок действия испытаний Caltrans на водородную хрупкость в окружающей среде на анкерных стержнях класса BD в пролете SAS» (PDF).
  28. ^ Майр, Люси (14 января 2015 г.). «Британская земля заменит« несколько болтов »на здании Лиденхолл». constructionnews.co.uk. Получено 21 апреля 2018.

внешняя ссылка