CC BY
8Водород в металлах и сплавах
ВОДОРОДНАЯ УСТАЛОСТЬ СТАЛЕЙ
В. И. Ткачёв, В. И. Холодный1, В. И. Витвицкий
Физико-механический институт им. Г. В. Карпенко НАН Украины Львов, 79053, Украина, факс: +38 (0322) 63-42-27, e-mail: tkachov@ipm.lviv.ua 1 ФГУП «КБ химатоматики» ул. Ворошилова, 22, Воронеж, РФ, 394055
По мере разработки и создания перспективных образцов водородной энергетики, следует ожидать обострения материаловедческих проблем, связанных с деградацией физико-механических свойств конструкционных материалов при контакте с водородом. В представленной работе рассматривается только один аспект этих проблем — деградация механических свойств сталей в присутствии газообразного водорода при комнатных температурах и небольших давлениях, т. е. в условиях, когда растворения водорода в металле не наблюдается.
Экспериментальными исследованиями малоцикловой усталости стали в водороде установлено, что максимальное падение долговечности происходит при комнатной температуре. С увеличением давления долговечность достигает определенного минимального значения в диапазоне 10 МПа и в дальнейшем не изменяется.
Имитация влияния давления водорода безопасным и легко доступным методом электролитического на-водороживания показала, что таким способом можно моделировать незначительные давления водорода до 0,3 МПа. Причем в этом случае содержание водорода в металле после испытаний достигало 15 см3/100 гр., а после испытаний в газообразном водороде зафиксировать поглощение водорода металлом не удалось. В этом состоит основная опасность при использовании водорода — разрушение конструкции может происходить и без растворения водорода в металле.
При многоцикловой усталости, которая, в отличие от малоцикловой, характеризуется малыми нагруз-
ками, но большой частотой их приложения, влияние водорода на условный предел выносливости незначительно, а в некоторых случаях даже положительно.
Таким образом, для определения склонности металлов к водородной деградации желательно использовать показатели малоцикловой усталости, поскольку вероятность разрушения от водородной деградации увеличивается по мере приближения действующих нагрузок к пределу текучести. Такие нагрузки характерны для транспортного машиностроения.
Естественно, реальные конструкционные материалы по-разному реагируют на присутствие водорода. Исследования усталостных свойств более 30 промышленных сталей и сплавов различных классов позволили выявить структуры, наиболее склонные к водородной деградации, и сформулировать основные критерии для отбора водородостойких материалов:
1. Структура должна быть аустенитной, стабильной, т. е. не изменяться в процессе деформирования.
2. Увеличение прочности аустенита должно достигаться за счет добавок, образующих твердые растворы.
3. Материалы после упрочнения должны обладать достаточным запасом пластичности для уменьшения вероятности хрупкого разрушения.
Наиболее перспективными оказались стали, легированные азотом, который находится в твердом растворе и не выпадает в виде нитридов. На этой основе разработана сталь с прочностью 1000 МПа, которая до 673 К практически не изменяет своих свойств в водороде.
ISJAEE Специальный выпуск (2003)
