водород не вызывает расширения решетки при переходе от од ной позиции внедрения к другой; 3) в соответствии с уравнени ем (1) равновесное содержание водорода в решетке при ком натной температуре составляет лишь 5-10~8% хрупкость же при испытании на растяжение [17] появляется при увеличении со держания водорода сверх 5 -10“4 %.
И.Убедительные данные о взаимодействии водорода
сдислокациями отсутствуют
Д л я э т о г о заключения имеются |
следующие |
основания: |
1) экспериментальные данные Хилла, |
касающиеся |
диффузии |
водорода в деформированном железе [10]; 2) тот факт, что во дород не оказывает влияния на твердость железа или стали [18]*, что было бы неизбежным в случае взаимодействия водо рода с дислокациями, затрудняющего их движение; 3) отсут ствие зависимости предела текучести поликристаллических ма териалов ,[19] и критического приведенного касательного напря жения монокристаллов [20] от водорода или даже некоторое снижение этих характеристик у наводороженных образцов.
Однако имеются и противоположные мнения по этому вопро су, выдвигаемые исследователями, которые нашли пики внутрен него трения [21] и предела текучести [9] у образцов, насыщен ных катодным методом при очень низких температурах; вместе
с |
тем Хилл [10] отмечает, что эти эффекты, |
вероятно, связаны |
с |
перемещением атомов углерода и азота |
к дислокациям, раз |
блокированным при пластической деформации, сопровождаю щей процесс наводороживания.
1П. Водород вызывает напряжения9 достаточные для возникновения трещин
при действии или в отсутствие приложенных напряжений, или снижает необходимое для разрушения
приложенное напряжение, или вызывает одновременно оба эффекта
Указанный вывод сделан на основе |
следующих данных: |
1) наводороживание вызывает размытие |
рефлексов [15] и при |
водит к исчезновению зуба текучести [22], как и предваритель ная деформация растяжением; 2) водород приводит к образо ванию раковин и трещин в образцах при катодном наводорожи-
вании [11, 12] и охлаждении |
газом [13, 14] даже |
в отсутствие |
приложенных напряжений; |
3) |
предел прочности |
наводорожен- |
* Убедительные данные о влиянии водорода на сопротивление пластиче |
ской деформации получены на — |
никеле (В о n i s z е w s k i T. a. Smith G. Acta |
M e ta llu rg y , 1963, v. 11, № 3, p. |
165). П р и м . ред. |
|
ных образцов ниже, чем ненаводороженных [17]; 4) разр} а щее напряжение, сужение поперечного сечения и относительное удлинение снижаются при повышении содержания водорода до 0,0005% [17, 18]; 5) при одновременном действии постоянной нагрузки и наводороживания металлу свойственно явление ста
тической усталости, причем время |
до разрушения возрастает |
с уменьшением приложенной нагрузки или плотности тока. |
IV, Д ля хр у п к о сти п оди кри сталли ч ески х м атер и ал о в |
н еобходи м ы |
|
наличие в о д о р о д а и его в ы с о к ая п о д ви ж н о сть |
|
Это заключение вытекает из следующих наблюдений: |
1) де |
газация катодно наводороженных |
подикристаллических |
образ |
цов перед их растяжением [22] приводит к почти полному вос становлению их пластичности; 2) степень водородной хрупкости поликристаллического железа и стали очень сильно зависит от скорости деформации и температуры [23].
Хрупкость обычно наблюдается при температурах от — 100 до +100° С, в зависимости от состава стали (низкоуглеродистая, высокопрочная и т. д.); максимальная хрупкость наблюдается при комнатной или несколько более низкой температуре. При низких температурах и высоких скоростях деформации водород ная хрупкость не имеет места и механические свойства наводо роженных и ненаводороженных сталей одинаковы.
ОБЪЯСНЕНИЯ ЯВЛЕНИЯ ВОДОРОДНОЙ ХРУПКОСТИ
Особое внимание привлекают две группы современных работ по водородной хрупкости. В работах Тройано [24] и его сотруд ников [25] предполагается, что определяющий фактор при водо родной хрупкости — сегрегация водорода, происходящая под действием приложенного напряжения в областях трехосных на пряжений, развивающихся вблизи пустот, имеющихся в стали. Водород может содержаться также и в этих пустотах, но он не вызывает повреждений, так как хрупкость связана лишь с тем водородом, который находится в областях действия трехосных напряжений. Несмотря на то, что, используя такую модель, мож но объяснить действие ряда усложняющих явление эффектов,, вызываемых предварительной деформацией и старением наво дороженных образцов высокопрочных сталей, исходные положе ния этой модели не согласуются со многими экспериментальны ми данными, приводимыми ниже.
1. Предположение о сегрегации водорода в напряженных об ластях не согласуется с данными по диффузии, полученными Хиллом с сотрудниками [5, 10, 16] и свидетельствующими о том, что при перемещении водорода из одного междоузлия в другое деформация отсутствует или очень мала.
2.Это предположение также не согласуется с рентгеногра фическими данными (15], согласно которым расширение решетки при наводороживании железа отсутствует.
3.Де Казински изучал влияние напряжений на проникно вение водорода через сталь и показал, что максимальная кон центрация водорода в напряженных областях может превышать среднюю его концентрацию в решетке лишь в три раза; это да ет верхний предел локальной концентрации водорода в обла стях действия трехосных напряжений, равный 15-10-8 %, и труд но понять, почему величина хрупкости должна увеличиваться при возрастании общей концентрации водорода до 5 -10-4 % [17].
4.Образцы, медленно охлажденные в атмосфере водорода или наводороженные катодным методом при комнатной темпе ратуре, имеют трещины даже, в отсутствие приложенных напря жений; вместе с тем, с рассматриваемой точки зрения и для
сегрегации водорода, и для возникновения хрупкости необходи мо обязательно действие приложенных (или остаточных) напря жений.
5. Наконец, при помощи этой модели нельзя объяснить, ка ков механизм охрупчивающего действия водорода, находящего ся в зонах трехосного напряжения; эта модель не учитывает критерия Гриффитса, который должен удовлетворяться, если зародившаяся трещина продолжает развитие; трудно понять, каким образом в разбавленном твердом растворе водород мо жет вызывать зарождение трещин или приводить к продвиже нию трещины, ранее образовавшейся под действием какого-то иного процесса, например холодной деформации.
Другая группа работ выполнена Гарофало с сотрудниками [27], а также Билби и Хьювиттом [28]. Исходя из современных положений теории дислокаций, развитых Коттреллом [29], рас сматривая микротрещины как непрерывно распределенные
п дислокаций с вектором Бюргерса b и предполагая, что водо род скапливается в трещинах в молекулярной форме, они про анализировали условия равновесия таких трещин при одновре менном воздействии внутреннего давления водорода Р и внеш него приложенного напряжения а. В том случае, когда а действует перпендикулярно плоскости скола, обе модели — и Билби, и Гарофало дают следующее выражение для энергии микротрещины шириной h = nb и длиной L :
W = |
п2Ь2Е/4тг (1 |
- |
v) In (4R/L) + |
2yL — |
— те (i |
— v ) L 2 (о2 |
+ |
P2)i'8E - (P + |
o) nbU |
где первый член характеризует энергию деформации, необходи мую для образования трещины, рассматриваемой как гигант ская дислокация мощностью nb с полем напряжений протяжен ностью Р от вершины трещины; второй член характеризует
энергию, необходимую для создания двух новых поверхностей трещины; величина у представляет сумму истинной поверхност ной энергии Ys и энергии пластической деформации ур; третий член — упругая энергия трещины в поле приложенных напря жений; четвертый член — работа, производимая приложенным напряжением (а + Р) при раскрытии трещины. Равновесная длина трещины определяется условием: dW/dL = 0. Это приво дит к следующему условию продвижения трещины:
(о + Р) nb > 2 (Ys + Yp); |
(2) |
следовательно, высоту трещины h = nb можно выразить как h = nb = (a -f P) L (1 — v)/£;
этот метод непосредственно приводит к условию разрушения Гриффитса:
(3>
которое отличается от обычного критерия Гриффитса лишь мно жителем jt/2. При Р = 0, т. е. при действии только приложенного напряжения, уравнение (2) сводится к уравнению Коттрелла [29] для случая низкотемпературного хрупкого разрушения ненаводороженного образца.
Приведенный расчет, представляющий точное выражение идей, предположенных Цапффе и Симсом [30], а также Де Казинским [31], показывает, что если водород скапливается в мик ротрещинах и создает внутреннее давление Я, то это давление можно непосредственно суммировать с приложенным напряже
нием а, чтобы получить полное |
напряжение, необходимое для |
развития трещины |
(Я + а). |
Однако этот процесс не дает указа |
ний на то, каким |
образом |
(или |
почему) |
водород |
собирается |
в ранее возникших |
микротрещинах и как он может |
иницииро |
вать эти трещины |
в недеформированном |
материале. |
Гарофало |
и Билби исследовали также |
выдвинутое Петчем [32] |
предполо |
жение о том, что водород вызывает хрупкость, адсорбируясь на поверхностях трещин и понижая тем самым истинную поверх ностную энергию Ys в соответствии с изотермой Лэнгмюра и, сле довательно, снижая полное напряжение, необходимое для про движения трещины. Они нашли, чтовеличина Ys может быть снижена на 5Х (105-М06) дж/м2 (500—1000 эрг/см2) и пришли к заключению о том, что влияние этого эффекта должно быть малым, так как напряжение, неоходимое для продвижения трещины, в первую очередь связано с энергией пластической деформации YP, которая контролирует у, a YP обычно имеет по рядок 107 дж/м2 (10 000 эрг/см2) .
Главное достоинство этого метода анализа состоит в том, что- в его основе лежит точный учет условий, необходимых для про-
движения трещины. Более того, он позволяет объяснить причины
развития |
трещин в отсутствие приложенного |
напряжения, так |
как |
уравнение (3) |
может удовлетворяться |
при |
больших Р |
и о = |
0. |
|
|
|
|
Отрицательные стороны этого анализа, как теперь установле |
но, следующие: |
|
|
|
1) |
предполагается, что давление водорода в трещине при ее |
развитии |
остается |
постоянным, т. е. водород, |
находящийся |
в решетке, может диффундировать к трещине со скоростью, до статочной для поддержания в ней определенного давления (можно кратко показать некорректность этого предположения); 2) при помощи данного анализа нельзя объяснить, почему водородная хрупкость отсутствует при низких температурах или высоких скоростях деформации в поликристаллических мате
риалах; 3) при расчетах не учитывается тот факт, что водород ни
когда не вызывает полной хрупкости поликристаллического ма териала (сужение площади поперечного сечения не падает ниже 10%), а приводит лишь к полухрупкому разрушению.
В следующем разделе приводятся экспериментальные дан ные, которые показывают, что образование микротрещин в ка- тодно-наводороженных или закаленных (из водородной атмос феры) образцах железных сплавов связано с выделением атомарного водорода из кристаллической решетки и с возникно вением, в результате этого давления молекулярного водорода. Далее будет рассмотрено совместное влияние внутреннего дав ления водорода и приложенного напряжения и показано, почему водородная хрупкость чувствительна к температуре и скорости деформации и почему разрушение никогда не является вполне хрупким.
ВЛИЯНИЕ ВОДОРОДА В ОТСУТСТВИЕ ПРИЛОЖЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
Для изучения характера образования трещин в сплавах же леза, наводороженных в отсутствие приложенных напряжений, Тетелмен и Робертсон [20] вводили водород (либо катодным наводороживанием, либо закалкой из атмосферы водорода) в мо нокристаллы и крупнозернистые поликристаллы чистого железа и сплава Fe + 3% Si. После наводороживания кристаллы крем нистого железа подвергали старению при 160° С для декориро вания (углеродом) дислокаций.
Внещние поверхности и разрезы образцов подвергали элек тролитическому травлению для выявления мест выхода дислока ции, а затем исследовали под световым микроскопом. Детальное описание этих опытов содержится в работе [20]; в данной статье сообщаются лишь наиболее значительные результаты, среди ко торых Имеются некоторые данные, не публиковавшиеся ранее.
сивное растрескивание наблюдается в центре кристаллов, а не вблизи внешних поверхностей, где деформация от закалки (вы являемая по линиям скольжения) наиболее значительна. Они также показали, что трещины не образуются в кристаллах, за каленных из атмосферы аргона. Отсюда следует, что образова ние трещин связано именно с присутствием водорода. Была из мерена общая длина трещин на единицу площади в любом сечении кристалла после закалки с 700—1200е С; эта длина от-
т,°с
о,оо5б о,от 00166 о,оггч о,02во
Содержание водорода, %(ат.)
Рис. 5. Растворимость водорода в Fe — 3% Si [4] и суммарная длина трещин, приходящихся на 1 см2 поперечного сечения в кристаллах, закаленных от указанных температур [20]
мечена вертикальными стрелками на рис. 5, на котором показа на (сплошной линией) зависимость равновесной концентрации водорода (до закалки) от температуры в соответствии с уравне нием (1) для Р = 1,25 н/м2. Из рис. 5 видно, что число трещин монотонно возрастает с увеличением содержания водорода в кри сталле, зафиксированного закалкой.
Тетелмен и Робертсон [20] не смогли определить места пред почтительного зарождения трещин. Относительно небольшое чис ло крупных трещин было принято за доказательство негомогенности трещинообразования, и признаки деформации около границы зерен (см. рис. 4, а) служат определенным подтвержде нием этого взгляда. Отсутствие какой-либо связи между предва рительной пластической деформацией или деформацией при закалке и плотностью трещин исключает возможность предпо-
