Что такое охрупчивание металла

СОДЕРЖАНИЕ

Механизмы

Охрупчивание металлов

Хрупкость водорода

Одним из наиболее обсуждаемых и вредных видов охрупчивания является водородное охрупчивание металлов. Есть несколько способов, которыми атомы водорода могут диффундировать в металлы, в том числе из окружающей среды или во время обработки (например, гальваника). Точный механизм, вызывающий водородное охрупчивание, до сих пор не определен, но многие теории предложены и все еще проходят проверку. Атомы водорода, вероятно, диффундируют к границам зерен металлов, что становится препятствием для движения дислокаций и создает напряжение вблизи атомов. Когда металл подвергается напряжению, напряжение концентрируется вблизи границ зерен из-за атомов водорода, позволяя трещине зародиться и распространяться по границам зерен, чтобы снять накопленное напряжение.

Радиационное охрупчивание

Низкотемпературное охрупчивание

При низких температурах некоторые металлы могут претерпевать пластично-хрупкий переход, что делает материал хрупким и может привести к катастрофическому разрушению во время эксплуатации. Эта температура обычно называется температурой вязко-хрупкого перехода или температурой охрупчивания. Исследования показали, что низкотемпературное охрупчивание и хрупкое разрушение происходит только при соблюдении следующих конкретных критериев:

Все металлы могут соответствовать критериям 1, 2, 4. Однако только ОЦК и некоторые металлы ГПУ удовлетворяют третьему условию, поскольку они имеют высокий барьер Пайерла и сильную энергию упругого взаимодействия дислокации и дефектов. Все металлы FCC и большинство HCP имеют низкий барьер Пайерла и слабую энергию упругого взаимодействия. Пластмассы и каучуки также демонстрируют такой же переход при низких температурах.

Другие виды охрупчивания

Охрупчивание неорганических стекол и керамики

Механизмы охрупчивания аналогичны металлам. Хрупкость неорганического стекла может проявляться в виде статической усталости. Хрупкость стекол, таких как Pyrex, зависит от влажности. Скорость роста трещин линейно зависит от влажности, что свидетельствует о кинетической зависимости первого порядка. Важно отметить, что статическая усталость пирекса по этому механизму требует, чтобы растворение концентрировалось на вершине трещины. Если растворение равномерное по плоской поверхности трещины, вершина трещины будет притуплена. Такое притупление может фактически увеличить прочность материала на излом в 100 раз.

Поучительным примером может служить охрупчивание композитов SiC / оксид алюминия. Механизм этой системы заключается, прежде всего, в диффузии кислорода в материал через трещины в матрице. Кислород достигает волокон SiC и образует силикат. Напряжение концентрируется вокруг вновь образованного силиката, и прочность волокон ухудшается. В конечном итоге это приводит к разрушению при напряжениях, меньших, чем типичное предел прочности материала при растяжении.

Охрупчивание полимеров

Полимеры бывают самых разных составов, и это разнообразие химического состава приводит к широкому диапазону механизмов охрупчивания. Наиболее распространенные источники охрупчивания полимеров включают кислород в воздухе, воду в жидкой или парообразной форме, ультрафиолетовое излучение солнца, кислоты и органические растворители.

Термическое окисление полиэтилена представляет собой качественный пример охрупчивания цепи при разрыве. Случайный разрыв цепи вызвал изменение от пластичного к хрупкому поведению, как только средняя молярная масса цепей упала ниже критического значения. Для полиэтиленовой системы охрупчивание происходило, когда средневзвешенная молярная масса упала ниже 90 кг / моль. Было высказано предположение, что причиной этого изменения было уменьшение запутывания и увеличение кристалличности. Пластичность полимеров обычно является результатом их аморфной структуры, поэтому увеличение кристалличности делает полимер более хрупким.

Охрупчивание силиконового каучука происходит из-за увеличения количества поперечных связей цепи. Когда силиконовый каучук подвергается воздействию воздуха при температурах выше 250 ° C (482 ° F), происходят окислительные реакции поперечного сшивания на боковых метильных группах вдоль основной цепи. Эти поперечные связи делают резину значительно менее пластичной.

Поликарбонат является хорошим примером растрескивания под действием растворителя. Было показано, что множество растворителей делают поликарбонат хрупким (например, бензол, толуол, ацетон) по аналогичному механизму. Растворитель диффундирует в массу, набухает полимер, вызывает кристаллизацию и в конечном итоге создает границы раздела между упорядоченными и неупорядоченными областями. Эти границы раздела создают пустоты и поля напряжений, которые могут распространяться по всему материалу при напряжениях, намного меньших, чем типичная прочность полимера на растяжение.

Источник

Охрупчивание

Водородной хрупкости

Одним из наиболее обсуждаемых и вредных видов охрупчивания является водородное охрупчивание металлов. Есть несколько способов, которыми атомы водорода могут диффундировать в металлы, в том числе из окружающей среды или во время обработки (например, гальваника). Точный механизм, вызывающий водородное охрупчивание, до сих пор не определен, но многие теории предложены и все еще проходят проверку. [1] Атомы водорода, вероятно, диффундируют к границам зерен металлов, что становится препятствием для движения дислокаций и создает напряжение вблизи атомов. Когда металл подвергается напряжению, напряжение концентрируется вблизи границ зерен из-за атомов водорода, позволяя трещине зародиться и распространяться по границам зерен, чтобы снять накопленное напряжение.

Радиационное охрупчивание

Низкотемпературное охрупчивание

При низких температурах некоторые металлы могут претерпевать пластично-хрупкий переход, что делает материал хрупким и может привести к катастрофическому разрушению во время эксплуатации. Эта температура обычно называется температурой вязко-хрупкого перехода или температурой охрупчивания. Исследования показали, что низкотемпературное охрупчивание и хрупкое разрушение происходит только при следующих конкретных критериях: [4]

Все металлы могут соответствовать критериям 1, 2, 4. Однако только ОЦК и некоторые металлы ГПУ удовлетворяют третьему условию, поскольку они имеют высокий барьер Пайерла и сильную энергию упругого взаимодействия дислокации и дефектов. Все металлы FCC и большинство HCP имеют низкий барьер Пайерла и слабую энергию упругого взаимодействия. Пластмассы и каучуки также демонстрируют такой же переход при низких температурах.

Исторически сложилось так, что существует множество случаев, когда люди эксплуатируют оборудование при низких температурах, что приводит к неожиданным, но также и катастрофическим сбоям. В Кливленде в 1944 году произошел разрыв стального цилиндрического резервуара со сжиженным природным газом, поскольку он имеет более низкую пластичность при рабочей температуре. [5] Еще одним известным примером был неожиданный перелом 160 ледовых кораблей времен Второй мировой войны в зимние месяцы. [6] Трещина образовалась в середине кораблей и распространилась по ней, буквально разбив корабли пополам.

Другие виды охрупчивания

Механизмы охрупчивания аналогичны металлам. Хрупкость неорганического стекла может проявляться в виде статической усталости. Хрупкость стекол, таких как Pyrex, зависит от влажности. Скорость роста трещин линейно зависит от влажности, что свидетельствует о кинетической зависимости первого порядка. Важно отметить, что статическая усталость пирекса по этому механизму требует, чтобы растворение концентрировалось на вершине трещины. Если растворение равномерное по плоской поверхности трещины, вершина трещины будет притуплена. Такое притупление может фактически увеличить прочность материала на излом в 100 раз. [8]

Поучительным примером может служить охрупчивание композитов SiC / оксид алюминия. Механизм этой системы заключается, прежде всего, в диффузии кислорода в материал через трещины в матрице. Кислород достигает волокон SiC и образует силикат. Напряжение концентрируется вокруг вновь образованного силиката, и прочность волокон ухудшается. В конечном итоге это приводит к разрушению при напряжениях, меньших, чем типичное предел прочности материала при растяжении. [9]

Полимеры бывают самых разных составов, и это разнообразие химического состава приводит к широкому диапазону механизмов охрупчивания. Наиболее распространенные источники охрупчивания полимеров включают кислород в воздухе, воду в жидкой или парообразной форме, ультрафиолетовое излучение солнца, кислоты и органические растворители. [10]

Термическое окисление полиэтилена представляет собой качественный пример охрупчивания цепи при разрыве. Случайный разрыв цепи вызвал изменение от пластичного к хрупкому поведению, как только средняя молярная масса цепей упала ниже критического значения. Для полиэтиленовой системы охрупчивание происходило, когда средневзвешенная молярная масса упала ниже 90 кг / моль. Было высказано предположение, что причиной этого изменения было уменьшение запутывания и увеличение кристалличности. Пластичность полимеров обычно является результатом их аморфной структуры, поэтому увеличение кристалличности делает полимер более хрупким. [12]

Охрупчивание силиконового каучука происходит из-за увеличения количества поперечных связей цепи. Когда силиконовый каучук подвергается воздействию воздуха при температурах выше 250 ° C (482 ° F), происходят окислительные реакции поперечного сшивания на боковых метильных группах вдоль основной цепи. Эти поперечные связи делают резину значительно менее пластичной. [13]

Поликарбонат является хорошим примером растрескивания под действием растворителя. Было показано, что множество растворителей делают поликарбонат хрупким (например, бензол, толуол, ацетон) по аналогичному механизму. Растворитель диффундирует в массу, набухает полимер, вызывает кристаллизацию и в конечном итоге создает границы раздела между упорядоченными и неупорядоченными областями. Эти границы раздела создают пустоты и поля напряжений, которые могут распространяться по всему материалу при напряжениях, намного меньших, чем типичная прочность полимера на растяжение. [15]

Источник

В сталях диффундирующие ионы водорода поступают из воды, которая обычно вводится в результате влажного электрохимического процесса, такого как гальваника. Его следует отличать от совершенно другого процесса высокотемпературного водородного воздействия (HTHA), при котором стали, работающие при высоких температурах выше 400 ° C, подвергаются воздействию газообразного водорода.

Для возникновения водородного охрупчивания требуется сочетание трех условий:

СОДЕРЖАНИЕ

История

Явление водородного охрупчивания было впервые описано Джонсоном в 1875 году. Из этой статьи 1875 года можно с полным основанием сделать следующие выводы:

Отсюда следует, что вредное влияние диффундирующего водорода можно уменьшить, предотвратив его проникновение в сталь или сделав его неподвижным после проникновения в материал.

Механизмы

Материальная восприимчивость

Стали

Сталь с пределом прочности на разрыв менее 1000 МПа (

145000 фунтов на квадратный дюйм) или твердостью менее 32 HRC обычно не считается подверженной водородному охрупчиванию. В качестве примера сильного водородного охрупчивания, относительное удлинение при разрушении нержавеющей стали 17-4PH, упрочненной атмосферным осадком, упало с 17% до 1,7%, когда гладкие образцы подвергались воздействию водорода под высоким давлением.

По мере увеличения прочности сталей вязкость разрушения уменьшается, поэтому вероятность того, что водородное охрупчивание приведет к разрушению, увеличивается. В высокопрочных сталях все, что превышает твердость HRC 32, может быть подвержено преждевременному водородному растрескиванию после процессов гальваники, в которых вводится водород. Они также могут испытывать долгосрочные отказы в любое время от 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.

Медные сплавы, содержащие кислород, могут охрупчиваться под воздействием горячего водорода. Водород диффундирует через медь и реагирует с включениями Cu ₂ O, образуя H ₂ O ( воду ), которая 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 образуется пар, 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.

Усталость

Хотя большинство отказов на практике происходит из-за быстрого отказа, есть экспериментальные доказательства того, что водород также влияет на усталостные свойства сталей. Это вполне ожидаемо, учитывая характер механизмов охрупчивания, предложенных для быстрого разрушения. Обычно водородное охрупчивание оказывает сильное влияние на многоцикловую усталость при высоких напряжениях и очень мало на многоцикловую усталость.

Источники водорода

Помимо дуговой сварки, наиболее распространенные проблемы связаны с химическими или электрохимическими процессами, в результате которых на поверхности образуются ионы водорода, которые быстро растворяются в металле. Одна из этих химических реакций включает сероводород в сульфидном растрескивании под напряжением (SSC), что является серьезной проблемой для нефтяной и газовой промышленности.

После производственного процесса или обработки, которая может вызвать проникновение водорода, компонент следует прокалить для удаления или иммобилизации водорода.

Профилактика

Водородное охрупчивание можно предотвратить несколькими способами, все из которых сосредоточены на минимизации 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.

Если металл еще не начал трескаться, водородную хрупкость можно обратить вспять, удалив источник водорода и заставив водород внутри металла диффундировать наружу в результате термообработки. Этот процесс уменьшения хрупкости, известный как отжиг с низким содержанием водорода или «обжиг», используется для преодоления недостатков таких методов, как гальваника, которые вводят водород в металл, но не всегда полностью эффективен, поскольку необходимо достичь достаточного времени и температуры. Такие тесты, как ASTM F1624, можно использовать для быстрого определения минимального времени выпечки (при тестировании с использованием плана экспериментов можно использовать относительно небольшое количество образцов для точного определения этого значения). 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 особенно важно для высокопрочных сталей и низколегированных сталей, таких 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.

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.

Существует множество стандартов ASTM для испытаний на водородную хрупкость:

Есть много других связанных стандартов водородной хрупкости:

Источник

Водород. Заблуждения (Охрупчивание)

В основной статье было допущено упущение и не рассмотрен вопрос о водородном охрупчивании металлов, на что мне указали различные специалисты. Каюсь и считаю своим долгом исправить и дополнить материал отдельной небольшой дополнительной заметкой.

Итак, на необъятных просторах интернетов, был найден древний фолиант, содержащий тайные знания погибшей цивилизации о воздействии водорода на металлы.

Весь труд довольно объёмен и желающие могут с ним ознакомиться полностью, по ссылке выше. Я же сделаю небольшие выдержки, того что показалось интересным с небольшими комментариями.

Активизация процессов водородного охрупчивания металлов, начинается при относительно небольших температурах, всего от 200 град.С. Я конечно понимаю, что газ в МГП находится под давлением и оттого слегка разогретым, но сильно сомневаюсь, что там есть близко 200 град.С. Но не суть, давайте дальше:

Охрупчивание начинается не сразу и вдруг, а имеется некий период безопасной эксплуатации. При температурах до 200 град.С индукционный период в металлах составляет скромные 100 тысяч часов. Тестировался суперсплав сталь 20.

Имеются способы повысить стойкость металлов, в частности путём легирования. Легирование хромом наиболее эффективно и уже при 12% добавки сплав становится водородностойким. Обратите внимание на рис. 4.49 на незаштрихованную область. Даже меньшие чем 12% добавки хрома уже существенно повышают температуру процесса.

Также может применяться плакировка, вместо цельного сплава. Не рассмотрен процесс гальванопокрытия, например медью, но это 1978 год. Воды утекло с тех пор.

Процесс охрупчивания не является необратимым. При определённых условиях он может быть обращён вспять. «Повреждённая» деталь может быть восстановлена и возвращена в эксплуатацию.

Последний слайд сообщает нам, что некий алюминиевый промышленник суетиться не просто так, а возможно что-то знает про технологии древних:

Зелёным выделен тезис о водородном охрупчивании меди. О процессе я писал в прошлый раз. Там вместо углерода в реакцию вступает кислород, отсюда и такие специфические требования именно к меди. Содержание кислорода в 0,01% не является чем-то запредельным. Это ГОСТовский норматив по кислороду для сплавов М1 и чище. Те же водопроводные трубы вполне себе делаются из сплава М1ф и полагаю могут быть использованы в качестве «последней водородной мили». (Внезапно даже для меня ).

Вобщем тезисы из комментариев к первой части:

Вплоть до того, что даже считанные минуты контакта с пузырьками водорода могут в будущем привести к разрушению массивной детали. По этой причине высоко нагруженные детали не покрывают гальваническими покрытиями, так как при их нанесении часто выделяется водород, который может способствовать разрушению детали в процессе эксплуатации.

Водородной хрупкости подвержены сплавы железа, алюминия, титана, никеля. То есть практически все конструкционные детали. Медь тоже подвержена, только её не относят к конструкционным металлам.

Проблема разрушения кристаллической решетки металла не зависит от концентрации водорода. Если водород в смеси есть, то разрушение будет происходить. Это одна из нерешаемыз задач на современном уровне НТП. В принципе не решаемая.

и прочие (простите кого забыл), предлагаю считать полным фуфелом несостоятельными.

Всем бобра! Хорошего настроения! Держитесь там

Комментарии

Вы знаете что в самом обычном воздухе содержится водород?

Активизация процессов водородного охрупчивания металлов, начинается при относительно небольших температурах, всего от 200 град.С. Я конечно понимаю, что газ в МГП находится под давлением и оттого слегка разогретым, но сильно сомневаюсь, что там есть близко 200 град.С. Но не суть, давайте дальше:

Ну, выше сотни градусов там точно.

Не зря же там системы охлаждения стоят, на каждой из сотен станций перекачки газа.

А локально(на лопатках компрессоров) и того выше.

Охлаждение разумеется, потому как при росте давления в 10-20-30 раз у нас соответственно и температура вырастет в 10-20-30 раз. Сжатие в Потоки вообще наверное многоступенчатое с промежуточным охлаждением, т.к. там помнится сотни атмосфер на входе давят.

В любом случае, всё не так однозначно как видится с массах.

Вопрос про турбины нагнетающих станций.

Лопатки компрессоров нагреваются выше 200 градусов.

Как это устроено и почему работает, например.

Вопрос про турбины нагнетающих станций.

Лопатки компрессоров нагреваются выше 200 градусов.

Нафига козе баян?

Именно СЕРОводородная коррозия довольно хорошо исследована. Даже структура под названием NACE создана.

Верно. С молекулярным водородом дела обстоят иначе. Он не так опасен.

охрупчивание грозит именно запорной арматуре и компрессорному хозяйству

для улучшения обрабатываемость нержи (12х18н10т) подвергают заготовки насыщению водородом

Локально на станции да, но не на протяжении же всей трубы.

скромные 100000 часов это 11 лет. Менять раз в 10 лет магистральный газопровод так себе идея.

А он вообще, держит ли водород? Или как решето? Обычная ПП труба для водопровода проницаема для даже молекул кислорода. Для защиты от проникновения кислорода в воду используют слой алюминия. Можете вспомнить советский шоколад и чай. Блестящая фольга использовалась для защиты продукта от окисления.

Авай ка ещё раз, а то вижу что в буквы у тя плоховато(да хреново прям!) получаеца:

Хва фшары лупица и тупить.

Там вместо углерода в реакцию вступает кислород,

Это только малая часть процессов.

Есть еще простое наполнение металлической решетки атомами водорода и ее разрыв от простых электрических сил. И далее появление микротрещин со всеми вытекающими.

Приведенный учебник рассматривает только часть проблемы.

Приведенный учебник рассматривает только часть проблемы.

Он еще и 1978 года. Водородным охрупчиванием у нас плотно занимались как раз в этот период, но вряд ли последние наработки попали прямо в справочник инженера-химика.

Если обратиться к опыту организации, вынужденной плотно заниматься этой темой, то выводы в ней сделали такие:

Источник