Влияние водорода на рост трещин

Скрипчук Галина Алексеевна,

аспирант Балашовского института Саратовского государственного университета.

Вопросы влияния внешней среды на прочность материалов относятся к наиболее важным и слабо изученным проблемам механики разрушения. Многообразны и сложны явления локального разрушения в конце трещины, вызывающие докритическое развитие начальных трещин и замедленное разрушение конструкции. Уже давно было замечено, что прочность и деформируемость твердых тел зависят от той среды, в которой находится тело. Под влиянием внешней среды тело может становиться более пластичным или более хрупким, прочность его может уменьшаться или возрастать.

Кинетика развития трещин включает стадии:

1) инкубационного периода;

2) зарождение трещин;

3) медленного ее роста;

4) быстрого ее прохождения по неповрежденному сечению металла.

Инкубационный период рассматривается как время, необходимое для создания критической локальной концентрации водорода в точке перед возникающей трещины. Этим объясняется уменьшение инкубационного периода с ростом напряжений, содержанием водорода в стали, облегчением диффузии водорода в металле. Переход от стадии медленного развития трещины к стадии быстрого разрушения связывается с приближением напряжения  (от внешней нагрузки) к величине  вследствие уменьшения толщины поврежденной стенки металла. Одним их важных проявлений инкубационного периода водородной хрупкости является то, что проведение испытаний металла, наводороженного в течение времени, не достигающего продолжительности инкубационного периода, не позволяет выявить падение пластичности и других характеристик, ухудшаемых в результате наводороживания [3].

B последнее время все большее внимание уделяют исследованию влияния различных факторов на скорость роста трещин. Рост трещин изучают в двух предельных условиях: а) при стационарной или постепенно возрас­тающей нагрузке; б) при циклическом нагружении.

Следует подчеркнуть, что в условиях циклического нагружения внешняя среда иногда не оказывает влияния на скорость роста усталостных трещин, в то время как в аналогичных условиях стационарного нагружения воздействие среды может. Оказаться весьма существенным. Это объясняется тем, что механизм конечной пластической деформаций вблизи конца трещины в таких случаях превалирует над специфическим механизмом локального разрушения при воздействии среды. Поэтому можно сформулировать следующее простое правило: если скорость роста трещины в условиях стационарного нагружения и воздействия некоторой активной среды гораздо меньше скорости роста трещины в условиях циклического нагружения в инертной среде, то эта активная среда не окажет заметного влияния на развитие усталостных трещин, и наоборот.

Ha самом деле достаточно большая не распространяющаяся трещина под действием напряжений и происходящих одновременно в металле физико-химических процессов может медленно развиваться и, наконец, перейти в лавинообразно распространяющуюся трещину. Процесс перехода от одного крайнего состояния трещины в другое называют суб­критическим ростом трещины.

Скорость докритического развития трещины dl/dt является некоторой функцией коэффициента интенсивности напряжений:

                                                                                                                        (1)

Эта функция равна нулю при ≤, а при > она монотонно возрастает с увеличением . Отношение для /пластичных металлов обычно близко к единице, а для высокопрочных и хрупких сплавов гораздо меньше единицы. Величина называется пороговым коэффициентом интенсивности напряжений [2].

Экспериментально установлены следующие закономерности субкритического роста трещин [1]:

1.                 Скорость роста трещины сильно возрастает с увеличением предела текучести, увеличение предела текучести вдвое повышает скорость роста трещины в 10³ раз.

2.                 Повышение температуры приводит к увеличению скорости роста тре­щины по экспоненциальной зависимости dl/dt ~ exp (-Q/RT), где Q — энергия активации, равная для сталей ~ 37,7 кДж/моль,

3.                 Скорость роста возрастает с увеличением содержания диффузионно-подвижного водорода, т.е. водорода, не связанного в ловушках. Водород, связанный в ловушках, не участвует в процессах, контролирующих ско­рость роста трещин.

4.                 C увеличением толщины образцов скорость роста трещины значи­тельно возрастает.

4.                 Трещина растет скачкообразно.

5.                 Пороговый коэффициент интенсивности напряжений уменьшается с увеличением содержания водорода.

Долгое время полагали, что водород отрицательно не влияет на уста­лостные характеристики металлов. Однако это заключение, по-видимому, справедливо лишь для гладких образцов при симметричном нагружении.

Литература

1.                  Колачев Б.А. Водородная хрупкость метал­лов. – М.: Металлургия, 1985. – 215 c.

2.                  Черепанов Г. П. Механика хрупкого разрушения. - М.: Наука, 1974.- 640 с.

3.                  Шрейдер А. В. Влияние водорода на нефтяное - химическое оборудование. - М.: Машиностроение,1976. – 144 с.

Поступила в редакцию 19.03.2009 г.