Водородное охрупчивание

5.3. ВОДОРОДНОЕ ИЗНАШИВАНИЕ

Водородное изнашивание связано с присутствием водорода в поверхностном слое металлических деталей узлов трения. Как один из процессов разрушения металлических поверхностей при трении водородное изнашивание установлено Д.Н. Гаркуновым и А.А. Поляковым [70]. Водородное изнашивание зависит от концентрации водорода в поверхностных слоях трущихся деталей. Водород выделяется из материалов деталей пары трения или из окружающей среды (смазочный материал, рабочая жидкость- топливо, вода и др.) и ускоряет изнашивание. Водородное изнашивание вызывается следующими процессами, происходящими в зоне трения:

Водородное изнашивание диспергированием (ВИДИС). При этом виде изнашивания на поверхностях трения не наблюдается задиров, вырывов, заметного переноса материала с одной поверхности трения на другую. Поверхности трения могут иметь блеск и очень мелкие царапины, риски, которые не видны невооруженным глазом и направлены вдоль направления движения.

Водородное изнашивание разрушением (ВИРA3). Этот вид изнашивания отличается тем. что поверхностный слой металла (чугуна или стали) толщиной до 1-2 мкм при определенных условиях разрушается мгновенно. Это происходит тогда, когда в поверхностном слое накапливается достаточно большое количество водорода. Накоплению водорода способствует десорбция смазочного материала из поверхностного слоя металла при трении, поскольку водород получает возможность занять большое число адсорбционных центров на поверхности. В процессе трения концентрация водорода в стали непрерывно возрастает. Водород проникает в зародышевые трещины, полости, межкристал-литные границы и другие места. В условиях трения происходит периодическое деформирование поверхностного слоя и объем дефектных областей (полостей) изменяется. Поступающий в полости водород моли-зуется и, не имея возможности выйти обратно при уменьшении объема, стремится расширить полость, создавая высокое напряжение. Повто-

5.3. Водородное изнашивание ........................................................... 134

Из всех видов изнашивания наиболее подробно описано водородное изнашивание, которое установлено сравнительно недавно и еще недостаточно рассмотрено в технической литературе. Большое место в книге занимает описание избирательно^ переноса при трении и его использование в машинах. Теория «безызносного» трения может быть положена в основу триботехники. Такие вопросы, как механизм разрушения поверхностей при трении, смазочное действие обычных смазочных материалов, а также вопросы качества поверхностей, относящиеся к изучению их шероховатости и контактирова-

Водородное изнашивание характеризуется рядом процессов в узлах трения машин:

Водородное изнашивание не имеет общих черт с водородной хрупкостью стали ни по источникам навородороживания, ни по

интенсивности и характеру распределения водорода в стали, ни по характеру разрушения, поскольку он связан только с процессом трения и обусловлен им. Для водородного изнашивания характерны высокая локальная концентрация водорода в поверхностном слое стали, возникающая вследствие больших градиентов температуры и напряжений при трении, которые обусловливают явление накапливания и особый характер роста трещин, приводящий к сплошному разрушению слоя. Водородное изнашивание вносит новые представления о механизме хрупкого разрушения.

автомобильного транспорта (водородное изнашивание резко снижает срок службы тормозных накладок, тормозных барабанов и дисков сцепления, а также лопаток бензиновых насосов и других деталей агрегатов автомобилей);

деревообрабатывающей промышленности (водородное изнашивание деревообрабатывающего инструмента и рабочих органов машин сдерживает рост производительности труда в отрасли);

к) коррозионной хрупкостью, приобретенной металлом в результате коррозии (например, водородное охрупчивание труб из высокопрочных сталей в условиях сероводородных нефтяных скважин); под хрупкостью следует понимать свойство материала разрушаться без заметного поглощения механической энергии В необратимой форме,

Скоростью, с которой атомы Надс рекомбинируют друг с,^другом или с Н+, образуя Н2, обусловлена каталитическими свойствами поверхности электрода. Если электрод является хорошим катализатором (например, платина или железо), водородное перенапряжение невелико, тогда как для слабых катализаторов (ртуть, свинец) характерны высокие значения перенапряжения. При добавлении в электролит какого-либо каталитического яда, например сероводорода или соединений мышьяка или фосфора, уменьшается скорость образования молекулярного Н2 и возрастает адсорбция атомов водорода на поверхности электрода *. Повышенная концентрация водорода на поверхности металла облегчает проникновение атомов водорода в металлическую решетку, что вызывает водородное охрупчивание (потерю пластичности) и может привести к внезапному растрескиванию (водородное растрескивание) некоторых напряженных высокопрочных сплавов на основе железа (см. разд. 7..4). Каталитические яды увеличивают абсорбцию водорода, выделяющегося на поверхности металла в результате поляризации внешним током или коррозионной реакции. Это осложняет эксплуатацию трубопроводов из низколегированных сталей в некоторых рассолах в буровых скважинах, содержащих сероводород. Небольшая общая коррозия приводит к выделению водорода, который внедряется в напряженную сталь и вызывает водородное растрескивание. В 'отсутствие сероводорода общая коррозия не сопровождается водородным растрескиванием. Высокопрочные стали из-за своей ограниченной пластичности более подвержены водородному ра-

Во всех этих случаях растрескивание вызывают атомы водорода, проникающие внутрь металла либо в результате коррозионной реакции, либо при катодной поляризации [52]. Сталь, содержащая водород в междоузлиях кристаллической решетки, не всегда разрушается. Она почти всегда теряет пластичность (водородное охрупчивание), но растрескивание обычно происходит только при одновременном воздействии высокого приложенного извне или остаточного растягивающего напряжения. Разрушения такого типа называют водородным растрескиванием под напряжением (или просто водородным растрескиванием). Трещины в основном транскристаллитные. В мартенситной структуре они могут проходить по бывшим границам зерен аустенита [52].

щина распространяется прерывисто, так как каждому последующему шагу ее роста предшествует пластическая деформация, затем диффузия водорода к дефектам. Острый надрез на поверхности стали способствует пластической деформации металла в его вершине и, следовательно, снижает критическое значение напряжения и уменьшает задержку перед растрескиванием. При температуре ниже —ПО °С или при высоких .скоростях деформации водородное охрупчивание и растрескивание уменьшаются вследствие замедления диффузии водорода.

Умеренная перезащита стальной конструкции обычно не приносит вреда. Основными недостатками при этом являются потери электроэнергии и возрастающий расход вспомогательных анодов. При сильной перезащищенности возникает дополнительный ущерб в случае, если на защищаемой поверхности выделяется так много водорода, что это вызывает либо вспучивание или отслаивание органических покрытий, либо водородное охрупчивание стали (потерю пластичности в результате абсорбции водорода), либо растрескивание под действием водорода (см. разд. 7.4). Разрушение стали в результате абсорбции водорода, по существу, близко к разрушениям, происходящим в сульфидсодержащих средах [20] (см. разд. 4.5).

питьевая 278 природная 120—122 индекс насыщения 121, 122 коррозионная активность 120 солевой состав 120 Водородное охрупчивание 58, 149, 224 Водородное растрескивание 58, 148 ел.,

дефекты при обработке поверхностей (химическая диффузия, водородное охрупчивание, снижение механических свойств материала и др.);

Большая часть повреждений оборудования и трубопроводов бывает вызвана, как правило, несколькими факторами, среди которых один может являться реперным. При этом отсутствие воздействия на конструкцию определенных факторов часто играет не менее важную роль, чем его присутствие. При выявлении реперных факторов и оценке их значимости необходимо использовать наиболее полную информацию, получаемую из всех доступных источников. Лишь при таком подходе удается установить основные причины разрушения объекта: коррозию (сероводородное растрескивание, водородное расслоение и другие виды, согласно [104, 105]), усталость, водородное охрупчивание, перегрузку, износ, эрозию, перегрев, дефекты изготовления или монтажа, отклонения от технических условий на материал объекта, несовершенство конструкции, отклонения от проектных условий эксплуатации (несоответствие состава, температуры и влажности среды; непредвиденные нагрузки, неэффективные противокоррозионные мероприятия) и т. п.

Понимание физико-химической природы коррозионного разрушения наиболее важно в случае роста трещин при ЕШЗКПХ значениях коэффициента интенсивности напряжений, кинетика которых определяет долговечность изделий с трещиной. Здесь доминирующим является либо водородное охрупчивание, либо локальное анодное растворение. Механизм водородного охрупчива-ния (см. § 47) характеризуется тем, что независимо от состава среды и приложенного потенциала в вершине трещины вследствие гидролиза продуктов коррозии устанавливаются всегда такие значения рН и потенциала, при которых термодинамически возможен процесс разряда ионов водорода

В последнее время развит метод индикации механизма воздействия коррозионных сред, основанный на сравнении скоростей роста трещин прп испытаниях с отсутствием и наложением катодной поляризации [128J. Считается, что еслп внешняя поляризация приводит к усилению кинетики роста трещины, то доминирующим механизмом является водородное охрупчивание.

растрескивание, коррозионная усталость, коррозионная эрозия); наличие серо-водородсодержащих электролитов (водородное охрупчивание, сульфидное растрескивание) .