Исследование влияния статических напряжений на водородосодержание и электрохимические характеристики сталей разного типа

При применении катодной защиты в местах повреждения лакокрасочных пленок происходит интенсивное выделение водорода, часть которого удаляется по законам диффузии, а часть из адсорбированного состояния на поверхности металла переходит в приповерхностные слои. Как следствие, развивается статическая водородная усталость стали, характеризующаяся тем, что металл, находящийся в условиях статического нагружения, внезапно хрупко разрушается при напряжениях, значительно меньших не только предела прочности, но и предела пластичности. В работе представлены результаты исследования влияния статических растягивающих напряжений на абсорбцию водорода металлом в процессе его катодной поляризации и распределения водорода по сечению поверхности металла. Использовали металлические образцы трех типов: проволочные из стали У8А, пластинчатые из стали 10ХСНД и полукольцевые из нержавеющей стали Х18Н9Т с концентратором напряжений. Испытания проволочных и полукольцевых образцов проводили при постоянной нагрузке, пластинчатых — при постоянной деформации. Поляризацию проволочных и пластинчатых образцов осуществляли при разных плотностях тока в течение 4 суток, полукольцевых — 1 ч. По окончании поляризации определяли послойное распределение водорода, абсорбированного металлом, методом анодного растворения. Установлено, что с увеличением величины деформации растет водородосодержание поверхностных слоев металла. Кроме того, приложение растягивающих нагрузок и деформирование металла изгибом способствуют увеличению количества поглощенного водорода, влияют на его распределение по сечению металла. В сталях разного состава и структуры толщина слоя, содержащего максимальное количество водорода, различна. Полученные результаты могут быть использованы при защите от коррозии изделий из конструкционных сталей в морской воде.

1. Раковская Е. Г., Занько Н. Г., Ягунова Л. К. Определение содержания водорода в приповерхностных слоях стали У8А с применением токов высокой частоты / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2021. Т. 87. № 7. С. 44 – 48. DOI: 10.26896/1028-6861-2021-87-7-44-48

2. Кутепов С. Н., Клементьев Д. С., Калинин А. А. Влияние микроструктурных факторов на характер водородного растрескивания сварных соединений высокопрочных сталей (обзор) / Известия ТГУ. Технические науки. 2022. № 8. С. 398 – 411. DOI: 10.24412/2071-6168-2022-8-398-412

3. Сергеев Н. Н., Извольский В. В., Сергеев А. Н. Прогнозирование долговечности арматурного проката в условиях коррозионного растрескивания под напряжением / Вестник РГАТА имени П. А. Соловьева. 2019. ¹ 2(49). С. 93 – 104.

4. Li X., Ma X., Song X., et al. Review of Hydrogen Embrittlement in Metals: Hydrogen Diffusion, Hydrogen Characterization, Hydrogen Embrittlement Mechanism and Prevention / Acta Metallurgica Sinica (English Letters). 2020. Vol. 33. N 6. P. 759 – 773. DOI: 10.1007/s40195-020-01039-7

5. Раковская Е. Г., Ягунова Л. К. Исследование влияния растягивающих напряжений на абсорбцию водорода при катодной защите стали в морской воде / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2020. Т. 86. № 6. С. 24 – 28. DOI: 10.26896/1028-6861-2020-86-6-24-28

6. Петров А. И., Разуваева М. В. Анализ влияния предела текучести на коррозионное растрескивание под напряжением мартенситных и ферритных сталей в кислых средах / Журнал технической физики. 2022. Т. 92. № 10. С. 1588 – 1594. DOI: 10.21883/JTF.2022.10.53251.154-22

7. Голубцов В. А., Рябчиков И. В., Мизин В. Г. Влияние химически активных элементов на водородное растрескивание стали для труб / Сталь. 2016. № 3. С. 50 – 53.

8. Сергеев Н. Н., Сергеев А. Н., Кутепов С. Н. и др. Анализ теоретических представлений о механизмах водородного растрескивания металлов и сплавов / Известия ЮЗГУ. 2017. № 3(72). С. 6 – 33. DOI: 10.21869/2223-1560-2017-21-3-6-33

9. Шашкова Л. В., Манаков Н. А., Козик Е. С., Свиденко Е. В. Влияние диффузионно-подвижного и связанного водорода на водородную хрупкость стали / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2019. Т. 85. № 8. С. 59 – 66. DOI: 10.26896/1028-6861-2019-85-8-59-66

10. Averina Yu., Zhukov D., Tsevkova V., et al. Hydrogen embrittlement and peculiar properties of determining the concentration of hydrogen in structural steels / 29th International Conference on Metallurgy and Materials. Conference Proceedings. — Brno, 2020. P. 387 – 392. DOI: 10.37904/metal.2020.3494

11. Семенов Я. С., Ларионов В. П. Выявление механизмов замедленного разрушения низколегированных высокопрочных сталей / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2001. Т. 67. № 10. С. 43 – 47.

12. Сергеев Н. Н., Сергеев А. Н., Кутепов С. Н. и др. Механизм водородного растрескивания металлов и сплавов. Ч. 1 (обзор) / Материаловедение. 2018. ¹ 3. С. 27 – 33.

13. Merson E., Krishtal M., Merson D., et al. Effect of strain rate on acoustic emission during hydrogen assisted cracking in high carbon steel / Material Science and Engineering: A. 2012. Vol. 550. P. 408 – 417.

14. Хижняков В. И., Негодин А. В. Коррозионное растрескивание катодно защищаемых газонефтепроводов в процессе длительной эксплуатации / Вестник ТГАСУ. 2017. № 4. С. 264 – 267.

15. Белоглазов С. М. Электрохимический водород и металлы. Поведение, борьба с охрупчиванием. — Калининград: КГУ, 2004. — 321 с.

16. Фортуна А. С., Астафурова Е. Г., Астафуров С. В. и др. Влияние электролитического наводороживания на особенности дислокационной структуры, формирующейся в аустенитной нержавеющей стали 01Х17Н14М3 при одноосном растяжении / Вестник Тамбовского университета. 2018. С. 555 – 558. DOI: 10.20310/1810-0198-2018-23-123p-555-558

17. Мушникова С. Ю., Сагарадзе В. В., Филлипов Ю. И. и др. Сравнительный анализ коррозионного растрескивания аустенитных сталей с разным содержанием азота в хлоридных и водородсодержащих средах / Физика металлов и металловедение. 2015. Т. 116. ¹ 6. С. 663 – 672. DOI: 10.7868/S0015323015060054

18. Michler T., San Marchi C., Naumann J., et al. Hydrogen environment embrittlement of stable austenitic steels / International Journal of Hydrogen Energy. 2012. Vol. 37. P. 16231 – 16246.

19. Astafurova E. G., Maier G. G., Melnikov E. V., et al. Effect of hydrogenation on mechanical properties and tensile fracture mechanism of a high-nitrogen austenitic steel / Journal of Materials Science. 2017. Vol. 52. N 8. P. 4224 – 4233. DOI: 10.1007/s10853-016-0676-z

20. Мушникова С. Ю., Костин С. К., Сагарадзе В. В., Катаева Н. В. Структура, свойства и сопротивление коррозионному растрескиванию азотсодержащей аустенитной стали, упрочненной термомеханической обработкой / Физика металлов и металловедение. 2017. Т. 118. ¹ 11. С. 1223 – 1235. DOI: 10.7868/S0015323017110092