книги / Разрушение твердых тел

7. Хрупкости не наблюдается при испытаниях на сжатие.

8. Явление водородной хрупкости можно достаточно эффек­ тивно предупредить отжигом при 425—475° К в течение 24 ч.

В ранних работах было высказано предположение о том, что водородная хрупкость связана с образованием железо-водород­ ных соединений. В 1941 г. Цаппфе и Симс [155] предположили, что накопление водорода в «полостях» может привести к созданию высоких внутренних давлений, причем по достижении некоторого критического давления образуются трещины. Эта простая гипо­ теза не согласуется с некоторыми экспериментальными данными, но ее основные идеи использованы в ряде последующих теорий; при этом местами накопления водорода считают обычно микро­ трещины, создаваемые дислокациями. Бастьен и Азу [162] пред­ положили, что водород может проникать в пустоты или трещины под воздействием дислокаций, увлекающих за собой атомы водо­ рода, которые образуют вокруг этих дислокаций атмосферы Коттрелла. Однако при комнатной температуре водород не обна­ руживает сильного притяжения к дислокациям.

Петч и Стэйблз [111, 112] высказали предположение о том, что главной причиной водородной хрупкости железа является адсорбция водорода в вершинах трещин, образованных дислока­ циями. Авторы считают, что распространение трещины облегчает­ ся, если возникновение новых участков поверхности сопровож­ дается образованием адсорбционных слоев, так как в результате адсорбции поверхностная энергия снижается. Петч получил сле­ дующее уравнение для разрушающего напряжения:

Т— абсолютная температура;

А^ 5 -104 мм~1— постоянная [39];

р— давление газа.

Уравнение (15) показывает, что величина (Of — Оо) пропор­ циональна ( 1/Li) ,/г; при этом коэффициент наклона прямой дол­ жен быть пропорциональным у или ун соответственно для ненаводороженного и наводороженного образцов. На рис. 25 показа­

388

и напряжений. Полости, содержащие водород, можно рассмат­ ривать как эквивалент тонкого внутреннего надреза; при дейст­ вии приложенного напряжения вокруг каждой полости возника­ ет трехосное напряженное состояние, которое оказывается наи­ более жестким на небольших расстояниях от нее. Морлет пред­ полагает, что степень хрупкости зависит от концентрации водо­ рода в области максимального проявления трехосного напря­ женного состояния: при накоплении достаточного количества водорода происходит зарождение трещины. Согласно этой гипо­ тезе, основное значение имеет концентрация водорода не в поло­

стях, а © областях трехосного напряженного состояния вбли­ зи -полостей.

Верхнюю кривую на -рис. 26 можно тогда объяснить сле­ дующим образом. На стадии I концентрация водорода в об­ ластях, где максимально про­ является трехосное напряжен­ ное состояние, снижается вследствие диффузии водорода к полостям, размеры которых увеличились в результате пред­ варительной деформации. Ох­ рупчивание на стадии II связа­ но с последующим повышением содержания водорода в обла­ стях трехосного напряженного состояния вследствие диффу­

зии водорода из объема образца при установлении нового рав­ новесного распределения водорода. Диффузия на последней ста­ дии может способствовать появлению градиентов концентрации водорода под действием напряжений [164, 165]. Увеличение пла­ стичности на стадии III наблюдается также в образцах, которые не были предварительно деформированы; его можно объяснить общей дегазацией образца при длительной выдержке при темпе­ ратуре старения.

В данной схеме развитие трещины рассматривается как пре­ рывистый процесс; это подтверждается наблюдениями Тетелмена и Робертсона [158]. По достижении критической концентрации водорода в области действия трехосных напряжений перед су­ ществующей трещиной возникают новые мелкие трещины, кото­ рые растут в наводороженных областях и соединяются с основ­ ной трещиной. Следовательно, скорость распространения тре­ щины зависит от скорости поступления водорода в опасные зоны, т. е. от скорости диффузии, температуры, времени и концентра­ ции водорода, как и в других схемах. Морлет с сотрудниками

390

скйх и экспериментальных значений D0 указывает в соответствии с теорией Верта — Зинера на невозможность возникновения иска­ жений решетки при диффузионных перескоках атомов водорода, так как внедреные «частицы» водорода малы по сравнению с рас­ стояниями между узлами решетки. Было отмечено также [166], что концентрация водорода в микротрещинах в равновесных ус­

эффективными накопителями водорода, чем напряженные обла­ сти решетки, окружающие их.

Тетелмен и Робертсон [158] впервые применили современные металлографические методы к изучению этой проблемы. Авторы использовали методику декорирования дислокаций для исследо­ вания деформации и разрушения в условиях осаждения водо­ рода в монокристаллах Fe — 3% Si. Образцы закаливали после нагрева в атмосфере водорода при 1000— 1500° К или проводили катодное насыщение водородом при комнатной температуре. Дислокации, возникшие при пластической деформации или при введении водорода, выявлялись после декорирования углеродом (старение при 430° К в течение 15 мин) по ямкам травления.

Металлографические исследования показывают, что избыток водорода после дегазации осаждается и образует по плоскостям {100} трещины скола типа «гриффитсовых». Пример такой тре­ щины и связанной с ней дислокационной структуры приведен на рис. 27. Тетелмен и Робертсон установили следующее:

1. По мере насыщения металла водородом происходит разви­ тие трещин.

2.Размеры трещин зависят от начального содержания водо­

рода.

3.Пластическая деформация, связанная с раскрывающимися под действием водорода трещинами, соответствует распределе­ нию напряжений, рассчитанному Снеддоном [74] для чечевицеоб­ разной трещины, внутри которой действует давление.

ными на основе измерений разрушающего напряжения и поверх­ ностной энергии, равной удвоенной истинной поверхности энер­ гии у0, в соответствии с подробным анализом механизма роста трещины.

5. В условиях растяжения при 77° К разрушающее напряже­ ние предварительно отожженных при 770° К кристаллов с тре­ щинами, возникшими при катодном насыщении водородом, сов­ падало с разрушающим напряжением не прошедших термиче­ ской обработки кристаллов в пределах ±15% . Следовательно, в случае монокристаллов давление газа в трещинах не оказывает заметного влияния на величину внешнего напряжения, необхо­ димого для их распространения. Однако и теоретические [39,

392

396