Процесс взаимодействия жидкого металла с водородом. Водород как причина пороков стали

Водород (d молекулы H₂=0,212нм) – простейший из всех химических элементов, который обладает способностью взаимодействовать со всеми без исключения элементами периодический системы, образуя гидриды (со щелочными, щелочноземельными металлами, с металлами V, VI и IV гр.) и твердые растворы (с Cr, Fe, Co, Ni, Pt, Cu, Ag – истинные растворы, а с Ti, Zr, V, Ta, Pd, РЗМ – α тв. ра-р.)

В реальных условиях производства, процесс взаимодействия жидкого металла с H₂ состоит из:

1. Конденсация газообразного водорода на поверхности металла – физическая адсорбция. Причем по мере повышения t наблюдается активированная адсорбция – это не только осаждение молекул газа на поверхности расплава, но и диссоциация молекул газа не атомы.
2. Диффузия – адсорбированные атомы водорода проникают вглубь расплава, причем в настоящее время общепризнанно, что водород диффундирует  в металл в форме протона.
3. Растворение – встраивание атомов водорода в кристаллическую решетку, т.е. образуется тв. раствор внедрения. Растворение водорода в металле определяется T, P и химическим составом сплава. В условиях равновесия с повышением температуры количество H поглощаемого металлом увеличивается. Равновесная растворимость H в металле при T = const описывается уравнением Сивертса

где k – константа растворимости; P_S – давление газа над расплавом.

Считают, что растворимость H в расплаве это величина аддитивная, т.е. состоит она из вкладов различных элементов. При введении в расплав элементов с повышенной способностью растворять водород (Ni, γ-Fe), приводит к увеличению растворимости H в сплаве.

При появлении второй фазы в сплаве (появление интерметаллида) количество поглощенного сплавом водорода резко возрастает, что объясняется адсорбцией водорода на межфазных поверхностях раздела.

Гидридообразующие элементы (Ti, Zr, Pd) способны адсорбировать тысячи миллилитров H.

Водород в тв. Ме и сплавах может находиться:

-  в α тв. растворе, как правило в сильно пересыщенном состоянии

-  может растворяться в интерметаллидных фазах

-  может сегрегировать на межфазных поверхностях раздела

-  может выделяться в форме пор, заполненных молекулярным Н.

-  может образовывать гидриды

-  возможно образование на дислокациях атмосфер Катрелла из водородных атомов

Для всех без исключения металлов, при переходе из жидкого состояния в твердое наблюдается скачкообразное уменьшение растворимости Н. Менее резкие, но ощутимые изменения растворимости наблюдаются при температурах полиморфных превращений.

Например растворимость Н наибольшая в жидком железе, а наименьшая в α-Fe. Водород несколько расширяет область устойчивости γ-Fe (и, естественно, сужает температурные пределы стабильности α- и δ-Fe), т.к. γ-Fe способно растворять водорода больше, чем α- и δ-Fe.Разная растворимость Н в металлах определяется величиной зазора м/у атомами в кристаллической решетке и химическими силами взаимодействия атомов Н с атомами Ме-растворителя и примесными атомами.

Водород, как и другие  элементы, образующие с металлами твердые растворы внедрения, при взаимодействии со сталью понижают критическую точку A3, при закалке способствуют снижению температуры мартенситного превращения и увеличивает количество аустенита остаточного.

Водород резко замедляет скорость графитизации белых чугунов, подавляя зарождение и рост графита. Его отбеливающие свойства связаны с подавлением роста зародышей графита, путем адсорбционной блокировки.

Растворение Н металлами сопровождается повышением твердости и хрупкости, ни в одном случае не было обнаружено увеличения пластичности. Например Н оказывает слабое влияние на предел прочности и предел текучести железа и стали, но характерно сильное уменьшение пластичности стали, выражающееся в понижении относительного удлинения и относительного сужения. Это означает, что истинное сопротивление разрыву по мере насыщения металла водородом сильно уменьшается и склонность к хрупкому разрушению увеличивается.

После различных термообработок влияние Н на механические свойства наиболее значительно в том случае, когда сталь находиться в закаленном состоянии. Поверхностный наклеп так же повышает чувствительность стали к водородной хрупкости.

Основной причиной водородной хрупкости стали и др. металлов являются дополнительные водородные напряжения, обусловленные присутствием Н в виде протона в электронных оболочках металлических атомов. Если металл обладает высокой пластичностью, то для создания хрупкости требуется, естественно, большая величина дополнительных водородных напряжений и соответственно большая концентрация Н. Если же металл по своей природе малопластичен или имеет повышенную твердость в результате т.о. или деформации, то достаточно сравнительно небольших напряжений, возникающих в результате присутствия Н, чтобы вызвать хрупкое разрушение.

При концентрациях Н, создающих пересыщенные т.р. Н стремится к сегрегации в локальных областях (границы зерен, дефекты и т.д.), что приводит к появлению водородной хрупкости.

Сегрегация Н может протекать:

а) В пересыщенных твердых растворах, под влиянием процесса термодинамического равновесия, без внешнего механического воздействия.