Automatic Welding, 2013, №05



2013 №05 (09)

2013 №05 (02)

---

«Автоматическая сварка», 2013, № 5, с. 3-14  

Индуцированные водородом холодные трещины в сварных соединениях высокопрочных низколегированных сталей (Обзор)

И. К. Походня, А. В. Игнатенко, А. П. Пальцевич, В. С. Синюк

Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины.
03680, г. Киев-150, ул. Боженко, 11.
E-mail: office@paton.kiev.ua
 
Реферат
Вероятность развития индуцированных водородом холодных трещин в сварном соединении зависит от ряда взаимосвязанных и сложных физических явлений. В работе представлен краткий обзор проведенных в ИЭС им. Е. О. Патона исследований по изучению процессов абсорбции водорода металлом, его диффузии в сварном соединении с учетом кинетики температурного градиента, ловушек водорода и остаточных напряжений. Расчетно-экспериментальными методами исследованы особенности диффузии водорода в недеформированном и пластически деформированном металле. Изложены результаты расчетно-экспериментальных исследований и математического моделирования механизмов образования и роста индуцированных водородом холодных трещин в сварных соединениях на микро- и макроуровне. С высокой достоверностью показано, что в основе механизма водородной хрупкости лежит взаимодействие водорода с дислокациями. Водород оказывает влияние на зарождение и рост микротрещин в металле, облегчая слияние дислокаций, что приводит к локализации пластической деформации под влиянием водорода. Как показало компьютерное моделирование развития микродефектов в металле, уменьшение размеров зерна, при прочих равных условиях, увеличивает чувствительность металла к негативному влиянию водорода. Предложен механизм роста макротрещины в содержащем водород металле с учетом эффекта водородной локализации пластичности. Библиогр. 64, рис. 12.
 
Ключевые слова: хрупкое разрушение, модель водородной хрупкости, водородная локализация пластичности,остаточные напряжения, ОЦК металлы, размер зерна, диффузия водорода
 
Поступила в редакцию 27.03.2013
Опубликовано 15.04.2013
 
1. http: //www.worldsteel.org.
2. Металлургия дуговой сварки: Взаимодействие металла с газами / И. К. Походня, И. Р. Явдощин, А. П. Пальцевичи др.; Под ред. И. К. Походни. — Киев: Наук. думка, 2004. — 445 с.
3. Белоглазов С. М. Наводороживание стали при электрохимических процессах. — Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1975. — С. 1–412.
4. Касаткин О. Г. Особенности водородного охрупчивания высокопрочных сталей при сварке (Обзор) // Автомат. сварка. — 1994. — № 1. — С. 3–7.
5. Юхновский П. И., Ткачев В. И. О состоянии водорода в металле // Физ.-хим. механика материалов. — 1987. — № 4. — С. 107–108.
6. Швачко В. I. Оборотна воднева крихкість ОЦК-сплавів заліза — конструкційних сталей: Автореф. дис. … д-ра фіз.-мат. наук. — Харків, 2002. — 35 с.
7. Effect of hydrogen on electronic structure of fcc iron in relation to hydrogen embrittlement of austenitic steels / S. M. Teus, V. N. Shivanyuk, B. D. Shanina, V. G. Gavriljuk // Phys. Stat. Sol. A. — 2007. — 204. — № 12. — P. 4249–4258.
8. Gavriljuk V. G., Shivanyuk V. N., Shanina B. D. Change in the electron structure cause by C, N and H atoms in iron and its effect on their interaction with dislocations // Acta Materialia — 2005. — 53. — P. 5017–5024.
9. Походня И. К., Швачко В. И. Физическая природа обусловленных водородом холодных трещин в сварных соединениях констуркционных сталей // Автомат. сварка. — 1997. — № 5. — С. 3–12.
10. Походня И. К. Проблемы сварки высокопрочных низколегированных сталей: Сучасне матеріалознавство XXI століття: Зб. наук. праць. — Киев: Наук. думка, 1998. — С. 31–69.
11. Гельд П. В., Рябов Р. А. Водород в металлах и сплавах. — М.: Металлургия, 1974. — 272 с.
12. Колачев Б. А. Водородная хрупкость металлов. — М.: Там же, 1985. — 216 с.
13. Явдошин И. Р. Исследование и разработка универсальных электродов с рутиловым покрытием: Автореф. дис. … канд. техн. наук. — Киев, 1969. — 21 с.
14. Походня И. К., Швачко В. И., Портнов О. М. Математическое моделирование абсорбции газов металлами в процессе сварки // Автомат. сварка. — 2000. — № 7. — С. 13–17.
15. Походня И. К. Математическое моделирование процессов взаимодействия металла с газами при дуговой сварке // Там же. — 2003. — № 2. — С. 3–10.
16. Походня И. К., Портнов О. М. Математическое моделирование абсорбции газов каплей электродного металла // Там же. — 2003. — № 6. — С. 5–8.
17. Pokhodnya I. К., Portnov О. М., Shvachko V. I. Computer modeling of hydrogen absorption by electrode metal drop under its intensive evaporation // Proc. of the 6th Seminar on the numeric analysis of weldability, Graz, 1–30 Oct., 2001. — Graz: TU of Graz, 2001. — P. 895–902.
18. Походня И. К., Швачко В. И., Уткин С. В. Расчетная оценка поведения водорода в дуговом разряде // Автомат. сварка. — 1998. — № 9. — С. 4–7.
19. Походня И. К., Цыбулько И. И., Орлов Л. Н. Влияние состава шлака на содержание водорода в жидком металле при сварке в CO2 // Там же. — 1993. — № 11. — С. 8–14.
20. Tsibulko I. I. Calculation of thermodynamic equilibrium in metallurgical system gas–slag–metal // Proc. of the 2nd Intern. seminar on the numeric analysis of weldability, GrazSegau, 10–12 Sept, 1993. — Graz: TU of Graz, 1993. — 6 p.
21. Масс-спектрометрические исследования газообразных фторидов, выделяющихся при дуговой сварке / И. К. Походня, В. И. Швачко, В. Г. Устинов, С. А. Супрун // Автомат. сварка. — 1972. — № 6. — С. 10–12.
22. Походня И. К., Швачко В. И. Образование фтористого водорода в дуговом разряде // Там же. — 1981. — № 2. — С. 11–13.
23. Влияние способов отбора проб металла шва на определение содержания в нем диффузионно-подвижного водорода / И. К. Походня, А. П. Пальцевич, И. Р. Явдощин // Там же. — 1986. — № 1. — С. 24–28.
24. Влияние режимов сварки на содержание водорода в швах, выполненных электродами с покрытием основного вида / И. К. Походня, А. П. Пальцевич, И. Р. Явдощин // Там же. — 1988. — № 3. — С. 19–22.
25. Пальцевич А. П. Хроматографический способ определения содержания водорода в компонентах электродных покрытий // Там же. — 1999. — № 6. — С. 46–48.
26. Походня И. К., Пальцевич А. П. Исследование потенциального содержания водорода // Сб. тез. cтендовых докл. Междунар. конф. «Современные проблемы сварки и ресурса конструкций», Киев, 24–27 ноября 2003 г. —: Киев: ИЭС им. Е. О. Патона, 2003. — С. 67.
27. Панасюк В. В. Механика квазихрупкого разрушения материалов. — Киев: Наук. думка, 1991. — 416 с.
28. Пальцевич А. П. Разработка методов снижения содержания водорода в сварных швах при создании новых покрытых электродов и порошковых проволок основного вида: Автореф. дис. … канд. техн. наук. — Киев, 1988. — 16 с.
29. Кинетика диффузионного перераспределения водорода между металлом шва и основным металлом при дуговой сварке / И. К Походня, Л. И. Демченко, А. П. Пальцевич, В. Г. Устинов // Автомат. сварка. — 1976. — № 8. — С. 1–5.
30. Походня И. К., Демченко В. Ф., Демченко Л. И. Математическое моделирование поведения газов в сварных швах. — Киев: Наук. думка, 1979. — 54 с.
31. Походня И. К., Павлык В. А., Швачко В. И. Влияние термообработки и деформации на диффузию водорода и водородопроницаемость стали типа 10ХНЗДМ: Металлургия сварки и сварочные материалы. — С.-Пб: Изд-во С.-Петербург. техн. ун-та, 1993. — С. 158–160.
32. Створення матеріалів для зварювання технологічного обладнання гірничо-металургійного та паливно-енергетичного комплексів. — Розд. 1: Дослідження методами експериментального та обчислювального моделювання поведінки водню в металі шва підвищеної міцності в умовах термодеформаційного циклу зварювання (Заключний звіт по темі 10/028) / Ін-т електрозварювання ім. Є. О. Патона НАНУ). — № 0107U0022787. — К., 2011. — 121 с.
33. Синюк В. С., Степанюк С. Н. Взаимодействие водорода с дислокационной структурой сварных соединений конструкционных сталей // Материали науч. конф. «Механіка руйнування матеріалів і міцність конструкцій», 23–27 червн. 2009 р. / Під заг. ред. В. В. Панасюка. — Львів: Фіз.-мех. ін-т ім. Г. В. Карпенка НАНУ, 2009. — С. 999–1002.
34. Степанюк С. М. Оборотна воднева крихкість при зварюванні високоміцних низьколегованих сталей: Автореф. дис. … канд. техн. наук. — Київ, 2001. — 18 с.
35. Игнатенко А. В., Швачко В. И. Модель транспортировки водорода дислокациями // Автомат. сварка. — 2007. — № 2. — С. 27–30.
36. Игнатенко А. В. Математическая модель переноса водорода краевой дислокацией // Там же. — 2007. — № 9. — С. 29–33.
37. A new method for quantitative determination of sensitivity of steels to hydrogen embrittlement / I. K. Pokhodnya, I. V. Shvachko, S. A. Kotrechko, Yu. Ya. Meshkov // Intern. J. of Materials Science. — 1999. — 34, № 4. — P. 538–543.
38. Shvachko V. I., Stepanyuk S. M., Pokhodnya I. K. The evaluation methods of HLSA steels susceptibility to hydrogen embrittlement // HSLA Steels’2000: The Forth Intern. conf. on HSLA Steels, Xi’an, China, Oct. 30–Nov. 2, 2000. — Beijing: Metallurgical Industry Press, 2000. — P. 453–458.
39. Заявка № 5040067, МКИ G 01 n 17/00. Способ количественного определения степени водородного охрупчивания конструкционных сталей и сварных швов / И. К. Походня, Ю. Я. Мешков, В. И. Швачко и др. — Заявл. 01.07.91. — Положит. решение пат. ведом. России от 28.09.92.
40. Мешков Ю. Я. Физические основы прочности стальных конструкций. — Киев: Наук. думка, 1981. — 238 с.__ 41. Мешков Ю. Я., Пахаренко Г. А. Структура металла и хрупкость стальных изделий. — Киев: Там же, 1985. — 266 с.
42. Мешков Ю. Я., Сердитова Т. Н. Разрушение деформированной стали. — Киев: Там же, 1989. — 160 с.
43. Котречко С. А., Мешков Ю. Я., Меттус Г. С. К вопросу о вязком и хрупком состояниях поликристаллических металлов // Металлофизика. — 1990. — 12, № 6. — С. 3–13.
44. Экспериментальное исследование механизма водородной хрупкости ОЦК металлов / В. С. Синюк, И. К. Походня, А. П. Пальцевич, А. В. Игнатенко // Автомат. сварка. — 2012. — № 5. — С. 12–16.
45. Царюк А. К., Бреднев В. И. Проблема предупреждения холодных трещин // Там же. — 1996. — № 1. — С. 36–40.
46. Владимиров В. И. Физическая природа разрушения металлов. — М.: Металлургия, 1984. — 280 с.
47. Birnbaum H. K., Sofronis P. Hydrogen-enhanced localized plasticity — a mechanism for hydrogen-related fracture // Mat. Sci. and Eng. A. — 1994. — 174. — P. 191–202.
48. Котречко С. А., Мешков Ю. Я. Предельная прочность. — Киев.: Наук. думка, 2008. — 296 с.
49. Походня І. К., Швачко В. І., Уткін С. В. Вплив водню на рівновагу дислокаційної субмікротріщини в ?-залізі // Фіз.-хім. механіка матеріалів — 2002. — № 1. — С. 7–14.
50. Beachem C. D. A new model for hydrogen—assisted cracking (Hydrogen «Embrittlement») // Metallurgical Transactions. — 1972. — 3. — P. 259–273.
51. Gedeon S. A., Eagar T. W. Assessing hydrogen-assisted cracking fracture modes in high-strength steel weldments // Welding J. — 1990. — № 6. — P. 213–219.
52. Sofronis P., Liang Y., Aravas N. Hydrogen induced shear localization of the plastic flow in metals and alloys // Eur. J. Mech. A/Solids. — 2001. — 20. — P. 857–872.
53. Liang Y., Sofronis P., Aravas N. On the effect of hydrogen on plastic instabilities in metals // Acta Materialia. — 2003. — 51. — P. 2717–2730.
54. http://www.icf11.com/proceeding/EXTENDED/5638.pdf.
55. Liang Y., Sofronis P., Dodds R. H. Interaction of hydrogen with crack-tip plasticity: effect of constraint on void growth // Mat. Sci. and Eng. — 2004. — A366. — P. 397–411.
56. Ahn D. C., Sofronis P., Dodds R. H. On hydrogen-induced plastic flow localization during void growth and coalescence // Intern. J. of Hydrogen Energy. — 2007. — 32. — P. 3734–3742.
57. Ignatenko O. V., Pokhodnya I. K. Influence of hydrogen-enhanced localized plasticity and grain size on the strength of bcc metal // Proc. of the Second Ukrainian-Greek symposium «Fracture mechanics of materials», Lviv, Ukraine, 3–7 Oct. 2011. — Lviv: Karpenko, 2011. — 73 p.
58. Дислокационная модель водородной локализации пластичности ОЦК металлов / А. В. Игнатенко, И. К. Походня, А. П. Пальцевич, В. С. Синюк // Автомат. cварка. — 2012. — № 3. — С. 22–27.
59. http://dfmn2011.imetran.ru/2011/index.php.
60. Закономірності водневого розтріскування зварних з’єднань ВМНЛ сталей / О. В. Ігнатенко, І. К. Походня, С. М. Степанюк, В. С. Синюк // Фундаментальні проблеми водневої енергетики / Під ред. В. Д. Походенка, В. В. Скорохода, Ю. М. Солоніна. — К.: КІМ, 2010. — С. 340–360.
61. Осташ О. П., Витвитцкий В. И. Двойственность воздействия водорода на механическое поведение сталей и структурная оптимизация их водородостойкости // Физ.-хим. механика материалов. — 2011. — № 4. — С. 4–19.
62. Игнатенко А. В., Синюк В. С. Влияние водородной локализации пластичности и сложнонапряженного состояния на прочность метала // Сб. тр. VI междунар. конф. «Математическое моделирование и информационные технологии в сварке и родственных процессах / Под ред. проф. В. И. Махненко, Кацивели, 29 мая–1 июня 2012. — Киев: Междунар. Ассоц. Сварка, 2012. — С. 35–36.
63. Панасюк В. В. Предельное равновесие хрупких тел с трещинами. — Киев: Наук. думка, 1968. — 247 с.
64. Морозов Л. С., Чечулин Б. Б. Водородная хрупкость металлов. — М.: Металлургия, 1967. — 254 с.