Измерив стрелу прогиба стержня / при удалении слоя толщиной б, определим по формуле (4.6) напряжение а 0ст. котброе было в снятом слое. Чтобы узнать рас­ пределение остаточных напряжений по сечению бруса, надо осуществлять много­ кратное послойное удаление металла, что влечет за собой необходимость учитывать результат перераспределения напряжений после снятия каждого слоя.

Механические методы измерения остаточных напряжений в раз­ ных случаях можно найти в работе [8 ].

Остаточные напряжения первого рода определяются и рентгенов­ ским методом по изменению межплоскостного расстояния Аа: а0(.т = = Е Да!а.

4.2. ВЛИЯНИЕ ВОДОРОДНОЙ ХРУПКОСТИ

как железо, никель, алюминий, медь и др., являются исходные шихтовые материалы, применяемые при выплавке металлов, и среда, в которой выполняются технологические операции на всех стадиях получения и обработки металлов (плавление, горячая пластическая деформация, сварка, термообработка, электролитические процес­ сы и т. д.).

Несколько иначе обстоит дело с такими химически активными при высоких температурах металлами, как титан, цирконий, ниобий и др. Так как эти металлы плавятся в вакууме, то в процессе плав­ ления происходит не насыщение, а удаление водорода, вводимого в металл с шихтой.

Титан и цирконий активно взаимодействуют с водородом, начи­ ная с 673—773 К. При повышенных давлениях эти металлы погло­ щают водород в больших количествах. Основными источниками наводороживания титана и его сплавов являются три технологи­ ческие операции: нагрев металла в открытых печах, сварка, элек­ тролитические процессы.

В металлах водород может находиться в следующих четырех различных состояниях.

1. Водород может образовывать с железом, сталью, никелем, ванадием и другими металлами твердые растворы внедрения. В меж­ узельном пространстве кристаллической решетки твердого раствора водород находится частично в атомарном состоянии (диаметр атома, состоящего из одного протона и одного электрона, около 10"10 м), частично — в ионизированном (т. е. в состоянии протонов). Благо­

даря малому размеру атом водорода, находясь в твердом растворе, заметно не деформирует кристаллическую решетку растворителя и обладает в ней большой подвижностью.

2. Встречая поры, трещины и другие несплошности, водород из твердого раствора выделяется в них, рекомбинируясь в молеку­ лярную форму. Равновесие между выделяющимся и растворяющимся водородом может быть только в случае, если водород находится

ватомарном состоянии. Так как атомарный водород, выделяющийся

впорах, немедленно превращается в молекулярный, а степень дис­ социации молекулярного водорода при низких температурах очень мала, равновесие в указанном выше смысле может не наступить и водород все время будет поступать в полость, создавая в ней высо­ кие давления, в определенных условиях приводящие к деформации

илокальным разрушениям решетки растворителя. Молекулярное состояние (размер молекулы 2,12-10"10 м) — одна из форм суще­

ствования водорода в металлах.

3. Водород, находясь в кристаллической решетке, взаимодей­ ствует с примесями металлов. При взаимодействии с кислородом, например в меди и никеле при повышенных температурах, обра­ зуются пары воды; при взаимодействии с углеродом, например в стали, образуется метан СН4 и другие углеводороды. Эти новые газообразные продукты выделяются в больших порах и других

с металлом растворителя, называемых гидридами. Для большинства гидридов термин химическое соединение не точен, так как они имеют переменный химический состав. Гидриды большинства металлов

водорода возможно только при повышенных температурах. Гидриды образуются в процессе охлаждения вследствие резкого уменьшения растворимости водорода в металле, выпадая чаще всего в виде тон­ ких пластин вдоль плоскостей скольжения и по границам зерен.

Удельный объем гидридной фазы большинства указанных метал­ лов больше удельного объема чистого металла. Поэтому выделение гидридов сопровождается возникновением напряжений в матрице.

Рассмотрим проявление водородной хрупкости в двух типах сплавов: на основе железа и на основе титана.

Водородная хрупкость сталей* При содержании водорода Кн, = = 5-f-8 см3 (в 100 г металла) водород практически не оказывает влияния на сопротивление пластической деформации, но резко

= 780 МПа) от содержания водорода, введенного в металл путем электролиза [90]. Из рисунка следует, что уже при содержании

водорода б см3 пластичность сталей (кривые / и 2) снижается в пять раз. Это снижение пластичности происходит за счет ускорения образования трещины и уменьшения сопротивления материала ее распространению.

содержание водорода менялось путем изменения продолжитель­ ности отжига /отж- В процессе отжига происходила частичная де­ сорбция водорода из предварительно наводороженных (до одного уровня) образцов [140].

После отжига образцы покрывали кадмием, чтобы дальнейшее выделение водорода прекратилось. Как следует из рис. 4.7, ре­ зультат действия водорода проявляется в уменьшении нижнего преде­ ла разрушающего напряжения а й в уменьшении времени до разрушения /р.

Известно много случаев замедленного образования трещин, инициируемых водородом. Опишем два из них.

П р и м ер 1. Образование так называемых холодных трещин в околошовной зоне

сварных соединений, выполненных ферритными электродами [48]. Повышенное содержание водорода в зоне термического влияния обусловлено диффузией его из металла шва, куда он попадает в результате диссоциации в зоне дуги влаги, содер­ жащейся в покрытии электродов или во флюсе, а также влаги или ржавчины на кром­ ках свариваемых деталей. Переходу водорода из металла шва в околошовную зону способствует резкое уменьшение его растворимости в металле шва при охлаждении и сохранение растворимости на высоком уровне в зоне термического влияния, так как температура превращения у-фазы в a -фазу для легированной стали лежит ниже.

Пример 2. Образование трещин в лопатках турбин гидростанций, трубах и арма­ туре нефтяных скважин, трубной арматуре, применяемой при переработке нефти в бензин. Во всех этих случаях образование трещин связано с действием серово­ дорода.

С повышением скорости деформации хрупкость сталей умень­ шается и при больших скоростях может совсем не проявляться.

Аналогично действует понижение температуры: влияние водо­ рода на хрупкость стали уменьшается или исчезает полностью.

Чувствительность к водородной хрупкости возрастает с увели­ чением прочности стали. На рис. 4.8 [129] показана зависимость

относительного сужения ф от содержания водорода Ун, (в 100 г металла) для сталей различной прочности. Данные получены по

закалки от 850 °С и отпуска при различных температурах, а затем подвергнуты катодному наводороживанию в 4%-ном водном рас­ творе H2S04.

Охрупчивающее действие водорода при содержании его (в 100 г металла) до 8—10 см® в большинстве случаев является обратимым процессом, т. е. после низкотемпературного отжига пластичность образцов восстанавливается вследствие десорбции водорода из ме­ талла.

Водород в больших количествах (^>10 см® в 100 г металла) необ­ ратимо снижает прочность металлов во всех ее проявлениях. Отжиг, понижение температуры, увеличение скорости деформации не вос­ станавливают исходных свойств металлов. Разрушение в таких случаях бывает преимущественно межзеренным.

При введении в сталь водорода в количестве 10 см® (в 100 г ме­ талла) в образцах без воздействия внешних сил обнаруживается два необратимых структурных изменения: а) на нетравленых микро­ шлифах отчетливо выделяются трещины по границам зерен; б) после травления под микроскопом обнаруживается обезуглероживание.

Эти взаимосвязанные структурные изменения обусловлены тем, что в процессе взаимодействия водорода и карбидов железа обра­ зуется метан по уравнению 4Н + Fe3C = 3Fe + СН4. Метан, накап­ ливается по границам зерен и создает там большое дополнительное давление, а это усиливает проявление водородной хрупкости.

То, что молекулярный водород создает большие давления на границах, в порах, трещинах, обнаруживается по вызываемому этим давлением и экспериментально определяемому увеличению объема образцов [89].

Несколько слов о механизме водородной хрупкости стали. Сни­ жение прочности, вызываемое водородом, есть результат прежде­ временного достижения предельного состояния у конца трещин или на поверхности любых внутренних плоскостей в итоге суммирова­ ния напряжений от внешней нагрузки и от давления молекуляр­ ного водорода.

При большом содержании водорода предельные давления соз­

его локализация, необходимая для охрупчивания материала, отсут­ ствует до приложения нагрузки и возникает в процессе деформации в результате направленного перемещения водорода к растягиваемым трещинам.

Направленная диффузия водорода к трещинам или дислока­ циям, которые затем перенесут водород к трещинам, возможна в результате упругого взаимодействия водорода с неравномерным полем напряжений в кристаллической решетке, создаваемым, в част­

родной хрупкости при небольших концентрациях водорода, в част­ ности зависимость ее от скорости деформации образца и темпера­ туры. Эти особенности связаны с влиянием соотношения диффузион­ ной подвижности водорода и скорости пластической деформации в брусе. При малых скоростях деформации диффузия, а следова­ тельно, и локализация водорода успевает совершиться, что обес­ печивает условия для возникновения хрупкости. При больших скоростях деформации эти процессы подавляются и не успевают пройти, поэтому хрупкости не возникает. При изменении темпера­

сти в титане противоположны проявлениям, рассмотренным в стали. Например, на гладких образцах при медленной деформации водо­ родная хрупкость чистого титана совершенно не обнаруживается, в то время как водородная хрупкость стали в таких же условиях проявляется в наибольшей степени.

Сильнее всего водородная хрупкость титана проявляется в усло­ виях концентрации напряжений и ударных нагрузок.

На рис. 4.9 [60] показана зависимость ударной вязкости KCU надрезанных образцов технического титана от содержания водо­ рода.

Чистый титан — металл не хладноломкий. Добавки водорода делают его типично хладноломким металлом. Хладноломкость про­ является при воздействии четырех основных внешних факторов: понижения температуры испытаний, действия концентраторов на­ пряжений, скорости деформирования и масштабного фактора.

Возникновение хладноломкости титана под действием водорода связано с появлением в структуре гидридной фазы. При понижении температуры титана до комнатной растворимость водорода в а-ти- тане резко уменьшается. Поэтому в процессе охлаждения твердый раствор водорода в титане распадается с образованием а-раствора, где содержание водорода стало меньше, и гидрида титана TiH, который при достаточно медленном охлаждении выделяется в виде тонких пластин, видимых под микроскопом (с торца) в виде темных игл. При быстром охлаждении, например при закалке, в твердом растворе можно удержать большее количество водорода, однако со временем он выделяется с образованием гидридов, что снижает прочность титана.

Характерную картину представляет собой структура областей начала хрупкого разрушения титана: хрупкие трещины, проходя­ щие по зерну, строго ориентированы по плоскостям выделения гид­ ридов титана [111]. Гидриды титана имеют относительно низкое сопротивление отрыву. Когда напряжения в образце превышают прочность гидридов, например при понижении температуры, на месте гидридов образуется трещина. Распространению трещин в зоне выделения гидридов способствуют напряжения растяжения,

ния разрыву 5„ для чистого титана с разным содержанием водорода от температуры испытаний Т. Прочность чистого титана растет с понижением температуры до 77 К. В присутствии водорода повы­

нижено в результате воздействия соседствующей молекулы поверх­ ностно-активного вещества (атома В). Для следующего шага потре­ буется время на диффузионное приближение атома В к атомам А и Alf понижение сил их межатомного взаимодействия и разрыв от действующего напряжения. Этот механизм будет повторяться и вызывать прогрессирующее разрушение [16].

Таким образом, для объяснения адсорбционного действия на прочность поверхностно-активных веществ нужно признать их влия­ ние на межатомное взаимодействие поверхностных атомов. Если разрушающее напряжение снизится при этом до такого уровня, при котором касательная составляющая станет ниже критического зна­ чения, необходимого для пластического сдвига, разрушение будет хрупким.

Второй механизм связан с возникновением специфических электрокоррозионных пар между более и менее напряженными участ­

жений, становится при этом анодом, а менее напряженные стенки трещины и остальная по­ верхность образца — катодом. Небольшая площадь анодного участка и большая поверх­

ность катода создают условия для интенсивной локальной электро­ коррозии [98]. Коррозия в этом механизме выполняет подготови­ тельную работу ослабления корродируемого участка, разрыв ме­ талла на этом участке совершает действующее нормальное напря­ жение.

Различать раздельное влияние описанных механизмов в реаль­ ных случаях бывает довольно затруднительно.

К общим закономерностям понижающего прочность влияния сред относятся: 1) избирательность действия только данной среды на данный металл; 2) развитие повреждающего действия сред во вре­ мени (за счет диффузии и коррозии); 3) проявление повреждающего действия сред преимущественно в дефектных местах; 4) хрупкий характер трещин под действием нормальных напряжений, что яв­ ляется особенностью влияния сред; 4) усиление повреждающего действия сред с увеличением прочности материалов.

Различают несколько видов воздействия сред: коррозионно-ме­ ханическое растрескивание, хрупкость при контакте с расплавлен­ ными металлическими покрытиями, коррозионную усталость, радиа­ ционные повреждения. Не следует смешивать с коррозионно-меха­ ническим растрескиванием межзеренную коррозию, например кор­ розионно-стойкой (нержавеющей) стали типа Х18Н8 в соляных рас­

действия границ и тела зерен из-за химической неоднородности. Коррозионно-механическое растрескивание. Коррозионно-меха­ ническое растрескивание широко распространено в технике. Сюда

можно отнести образование трещин в лопатках газовых турбин, разрушение стальных баллонов для хранения светильного газа, образование трещин в перегретых местах паровых котлов и теплооб­ менников, в которых из пара оседают агрессивные соли высокой концентрации и многие другие случаи.

Количественная зависимость tд = / (а) при коррозионно-меха­ ническом разрушении подчиняется уравнению

изображении должна иметь вид гипер­ болы, а в двойных логарифмических

только под действием внешней нагрузки, но и в результате действия остаточных напряжений, которые в высокопрочных сталях могут быть достаточно высокими и возникают при закалке и технологи­ ческих операциях резания, шлифования и даже клеймения (см. п. 4.1).

Практикой установлено, что чистые металлы мало чувствительны к коррозионно-механическому растрескиванию; примеси повышают эту чувствительность. Склонность к коррозионно-механическому растрескиванию зависит от химического состава и структуры сплавов.

При контакте с жидкими средами, особенно в сочетании с элек­ тролизом, поверхность металла, служащая анодом, может наводороживаться, делая металл хрупким.

Причину хрупкости (наводороживание или коррозионно-механи­ ческое воздействие) можно установить по виду графического изоб­ ражения результатов испытаний в координатах а, /д. Если полу­ ченная кривая — результат наводороживания, она является пара­ болой, если кривая — результат коррозионно-механического воздей­ ствия, она будет гиперболой [2].

Хрупкость при контакте с расплавленными металлическими по­ крытиями» Хрупкость деталей при контакте с жидкими металлами

ние при этом снижается на 25—50 %. В результате этих изменений резко возрастает критическая температура хрупкости.

На рис. 4.13 показан рост предела текучести железа, облучен­

зультатом облучения потоком быстрых нейтронов является обра­ зование в кристаллической решетке дислоцированных (т. е. пере­

/(— г

в процессе облучения зависит от величины нейтронного потока. Точечные дефекты в виде дислоцированных атомов и вакансий могут объединяться и образовывать скопления. Эти скопления препят­ ствуют движению дислокаций, поднимают предел текучести и сни­ жают пластичность. Нейтроны, кроме того что они смещают атомы, могут захватываться атомными ядрами с последующим превраще­ нием этих ядер в новые элементы. Образование новых элементов в сложных сплавах может привести к нежелательному устойчивому изменению свойств, не поддающемуся отжигу.

Найдена аналитическая зависимость приращения предела теку­ чести с учетом затухания упрочнения при увеличении интегральной

металлургических и радиационных факторов.