Технологический контроль диффузионно-подвижного водорода в сталях

Диффузионно-подвижный водород (ДПВ) в металлах — часть растворенного водорода с высокой диффузионной подвижностью — основная причина холодного растрескивания сварного шва и наплавного металла. В работе представлены результаты технологического контроля ДПВ в сталях. Выявлено, что из-за малых предельно допустимых концентраций в высокопрочных сталях методы измерения, апробированные для металла сварного шва, могут давать кратные ошибки при измерениях. Предложена методика измерения ДПВ, основанная на методе вакуум-нагрева с масс-спектрометрическим измерением потока водорода из образца в процессе его анализа. Разделение потоков ДПВ и более сильно связанного водорода при вакуумной экстракции из образца предлагается проводить по экстракционной кривой. Показано, что при применении такой методики наблюдается хорошая сходимость результатов, и время проведения измерений можно существенно сократить по сравнению с рекомендациями стандартов для металла сварного шва. По результатам сопоставления экспериментальных данных и требований стандартов установлено, что энергия активации ДПВ составляет не более 0,3 эВ. Время экстракции ДПВ при фиксированной температуре анализа существенно зависит от размеров стального образца, из которого проводится экстракция водорода. Это не позволяет ориентироваться только на время и температуру экстракции при отделении ДПВ от связанного водорода, как рекомендуют многие существующие методы измерения массовой доли ДПВ. Полученные результаты могут быть использованы при проведении технологического контроля ДПВ в сталях.

1. Добаткин В. И., Габидуллин Р. М., Колачев Б. А. Газы и окислы в алюминиевых деформируемых сплавах. — М.: Металлургия, 1976. — 264 с.

2. Ильин А. А., Колачев Б. А., Полькин И. С. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства. Справочник. — М.: ВИЛС-МАТИ, 2009. — 520 с.

3. Bockris J. O. M., Subramanyan P. K. Hydrogen embrittlement and hydrogen traps / Journal of the Electrochemical Society. 1971. Vol. 118. N 7. P. 1114. DOI: 10.1149/1.2408257

4. McNabb A., Foster P. A new analysis of diffusion of hydrogen in iron and ferritic steels / Transactions of the Metallurgical Society of AIME. 1963. Vol. 227. N 3. P. 618.

5. Koyama M., Akiyama E., Lee Y., et al. Overview of hydrogen embrittlement in high-Mn steels / International Journal of Hydrogen Energy. 2017. Vol. 42. N 17. P. 12706 – 12723. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2017.02.214

6. Depover T., Escobar D., Wallaert E., et al. Effect of hydrogen charging on the mechanical properties of advanced high strength steels / International Journal of Hydrogen Energy. 2014. Vol. 39. N 9. P. 4647 – 4656. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2013.12.190

7. Шашкова Л. В., Манаков Н. А., Козик, Е. С. и др. Влияние диффузионно-подвижного и связанного водорода на водородную хрупкость стали / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2019. Т. 85. ¹ 8. С. 59 – 66. DOI: 10.26896/1028-6861-2019-85-8-59-66

8. Hopkin G. L. A suggest cause and general theory for the cracking of alloy steels on welding / Welding Journal. 1944. N 11. P. 605 – 606.

9. Походня И. К. Физическая природа обусловленных водородом холодных трещин в сварных соединениях конструкционных сталей / Автоматическая сварка. 1997. № 5(530). С. 3 – 12.

10. Макаров Э. Л. Холодные трещины при сварке легированных сталей. — М.: Машиностроение, 1981. — 247 с.

11. Касаткин Б. С. Водородная хрупкость и образование холодных трещин при сварке стали 25Х2НМФА / Автоматическая сварка. 1993. ¹ 8. С. 3 – 10.

12. Nakai M., Nagai K., Murata Y., et al. Correlation high temperature steam oxidation with hydrogen dissolution in pure iron ternary high-chromium ferritic steel / ISIJ International. 2005. Vol. 45. N 7. P. 1066 – 1072. DOI: 10.2355/isijinternational.45.1066

13. Nagumo M. Function of Hydrogen in Embrittlement of High-strength Steels / ISIJ International. 2001. Vol. 41. N 6. P. 590 – 598. DOI: 10.2355/isijinternational.41.590

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

15. Мерсон Д. Л., Полянский А. М., Полянский В. А. и др. Связь механических характеристик стали 35Г2 с содержанием водорода и параметрами акустической эмиссии / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2008. Т. 74. № 2. С. 57 – 60.

16. Раковская Е. Г., Занько Н. Г., Ягунова Л. К. Исследование влияния статических напряжений на водородосодержание и электрохимические характеристики сталей разного типа / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2024. Т. 90. ¹ 3. С. 45 – 51. DOI: 10.26896/1028-6861-2024-90-3-45-51

17. Tal-Gutelmacher E., Eliezer D., Abramov E. Thermal desorption spectroscopy (TDS) — application in quantitative study of hydrogen evolution and trapping in crystalline and non-crystalline materials / Materials Science and Engineering. 2007. Vol. 445. P. 625 – 631. DOI: 10.1016/j.msea.2006.09.089

18. Hirth J. P. Effects of hydrogen on the properties of iron and steel / Metallurgical Transactions. 1980. Vol. 11. P. 861 – 890. DOI: 10.1007/BF02654700

19. Saini N., Pandey C., Mahapatra M. Effect of diffusible hydrogen content on embrittlement of P92 steel / International Journal of Hydrogen Energy. 2017. Vol. 42. N 27. P. 17328 – 17338. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2017.05.214

20. Peral L., Zafra A., Fernández-Pariente I., et al. Effect of internal hydrogen on the tensile properties of different CrMo (V) steel grades: Influence of vanadium addition on hydrogen trapping and diffusion / International Journal of Hydrogen Energy. 2020. Vol. 45. N 41. P. 22054 – 22079. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2020.05.228

21. Rodoni E., Zafra A., Fernández-Pariente I., et al. Effect of microstructure on the hydrogen embrittlement, diffusion, and uptake of dual-phase low alloy steels with varying ferrite-martensite ratios / International Journal of Hydrogen Energy. 2024. Vol. 50. Part A. P. 53 – 65. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2023.07.061

22. Depover T., Wallaert E., Verbeken K. On the synergy of diffusible hydrogen content and hydrogen diffusivity in the mechanical degradation of laboratory cast Fe – C alloys / Materials Science and Engineering. 2016. Vol. 664. P. 195 – 205. DOI: 10.1016/j.msea.2016.03.107

23. Luppo M., Ovejero-Garcia J. The influence of microstructure on the trapping and diffusion of hydrogen in a low carbon steel / Corrosion Science. 1991. Vol. 32. N 10. P. 1125 – 1136. DOI: 10.1016/0010-938X(91)90097-9

24. So K. H., Kim J. S., Chun Y. S., et al. Hydrogen delayed fracture properties and internal hydrogen behavior of a Fe – 18 Mn – 1.5 Al – 0.6 C TWIP steel / ISIJ International. 2009. Vol. 49. N 12. P. 1952 – 1959. DOI: 10.2355/isijinternational.49.1952

25. Fassina P., Bolzoni F., Fumagalli G., et al. Influence of hydrogen and low temperature on mechanical behaviour of two pipeline steels / Engineering Fracture Mechanics. 2012. Vol. 81. P. 43 – 55. DOI: 10.1016/j.engfracmech.2011.09.016

26. Akiyama E., Wang M., Li S., et al. Studies of evaluation of hydrogen embrittlement property of high-strength steels with consideration of the effect of atmospheric corrosion / Metallurgical and Materials Transactions. 2013. Vol. 44. P. 1290 – 1300. DOI: 10.1007/s11661-012-1403-2

27. Okayasu M., Motojima J. Microstructure-dependent hydrogen diffusion and trapping in high-tensile steel / Materials Science and Engineering. 2020. Vol. 790. P. 139418. DOI: 10.1016/j.msea.2020.139418

28. Wang M., Akiyama E., Tsuzaki K. Effect of hydrogen on the fracture behavior of high strength steel during slow strain rate test / Corrosion Science. 2007. Vol. 49. N 11. P. 4081 – 4097. DOI: 10.1016/j.corsci.2007.03.038

29. Физические величины. Справочник. — М.: Энергоатомиздат, 1991. — 964 с.

30. Панченко О. В. К вопросу о методах определения диффузионного водорода / Машиностроение. 2011. ¹ 9. С. 57 – 61.

31. Kissinger H. E. Reaction kinetics in differential thermal analysis / Analytical Chemistry. 1957. Vol. 29. N 11. P. 1702 – 1706. DOI: 10.1021/ac60131a045

32. Polyanskiy A. M., Polyanskiy V. A., Yakovlev Y. A. Experimental determination of parameters of multichannel hydrogen diffusion in solid probe / International Journal of Hydrogen Energy. 2014. Vol. 39. N 30. P. 17381 – 17390. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2014.07.080

33. Belyaev A. K., Polyanskiy A. M., Polyanskiy V. A., et al. Multichannel diffusion vs TDS model on example of energy spectra of bound hydrogen in 34CrNiMo6 steel after a typical heat treatment / International journal of hydrogen energy. 2016. Vol. 41. N 20. P. 8627 – 8634. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2016.03.198

34. Современная метрология физико-химических измерений. — М.: Триумф, 2022. — 560 с.

35. Belyaev A. K., Chevrychkina A. A., Polyanskiy V. A., et al. Necessity of 3D modeling for simulation of impact of skin effect of hydrogen charging on the binding energy of traps determined from the thermal desorption spectra / Continuum Mechanics and Thermodynamics. 2023. Vol. 35. N 4. P. 1309 – 1323. DOI: 10.1007/s00161-022-01130-7