Влияние водорода на свойства стали.

Водородоказывает на металл двойственное действие: с одной стороны, он защищает его от насыщения кислородом и азотом, а с другой стороны, растворяясь в металле, становится причиной появ­ления пор и трещин.

В железе атомарный водород растворяется как в твердом, так и в жид­ком состоянии, как видно из Рис. 2.8, с повышением температуры раство­римость водорода растет и изменяется скачкообразно. Максимальная растворимость водорода соответствует температуре 2400 ^оС, т.е. тем­пературе жидких капель.

Степень насыщения водородом зависит от наличия в газовой сре­де элементов, способных связывать водород в химическое соединение, не растворимое в жидком металле. Так, образование ОН и HF снижает растворимость водорода в металле.

Водород образует растворы внедрения с металлами в жидком состояниях. С некоторыми металлами водород может образовывать соединения – гидриды.

Процесс растворения водорода состоит из отдельных стадий:

1. Диссоциация молекул водорода на отдельные атомы (DН>0) или возникновение атомарного водорода в результате разрядки ионов водорода на катоде электролизера, а это тоже процесс с затратой энергии.

2. Сорбция атомов водорода и образование раствора (DН > 0).

3. Образование гидридов с некоторыми металлами (DН < 0).

Растворенный водород также оказывается нежелательным, так как он резко уменьшает пластичность металлов (стали, медные и алюминиевые сплавы), вызывает пористость в сварных швах и в зоне термического влияния. Так называемая «водородная хрупкость металлов» в настоящее время стала важной технической и научной проблемой, так как применение упрочненных сталей, обладающих малым запасом пластичности – d, вызывает замедленное разрушение сварных конструкций.

Водород в твердом металле может быть в различных состояниях:

а) диффузионно-подвижный водород, находящийся в состоянии твердого раствора внедрения. Он относительно свободен и может покидать металл, диффундируя к границе раздела и десорбируясь из него при вылеживании, но в легированных сталях этот процесс идет медленно и требует повышенных температур или вакуума. Не десорбируется водород из аустенитных сталей, не обладающих ферромагнитными свойствами.

б) остаточный водород — водород, адсорбированный на гра­ницах раздела или в зоне скопления дислокаций, уменьшает их подвижность. Диффузионно-подвижный и остаточный водород мо­гут переходить друг в друга. Остаточный водород покидает металл при ~900 °К в вакууме;

в) связанный водород, удаляющийся из металла при вакуум­ном плавлении, находится в несплошностях металла (раковины и поры) в молекулярном состоянии. Переход связанного водо­рода в диффузионно-подвижный сильно затруднен, так как про­цесс диссоциации молекул Н₂ на атомы требует большой затраты энергии.

Общей теории водородной хрупкости, достаточно обоснован­ной, пока еще не существует, потому что водород (точнее про­тон) в твердых металлах ни одним из известных эксперимен­тальных методов не обнаруживается.

Водород в сварных соединениях в силу его большой подвиж­ности в условиях сварочного цикла распределяется неравномер­но. При средней допустимой концентрации водорода могут со­здаваться локальные концентрации (линия сплавления для ме­таллов, не образующих гидридов, или зона термического влияния для гидридообразующих металлов), вызывающие возникнове­ние дефектов сварного соединения (поры, трещины) или его за­медленное разрушение (титановые сплавы и высокопрочные мартенситно-стареющие стали).