Президентская программа
исследовательских проектов

Лики разрушения. Хрупкость может быть разной

Источник: Lokilech / Wikimedia Commons

Команда ученых опорного Тольяттинского госуниверситета (ТГУ) под руководством старшего научного сотрудника НИИ прогрессивных технологий ТГУ Евгения Мерсона провела уникальный эксперимент. Было доказано, что разрушения стали под действием водорода и в результате классического низкотемпературного охрупчивания принципиально отличаются друг от друга.


Хрупкое разрушение металлов – коварное физическое явление. Оно не сопровождается внешней деформацией и изменением формы, поэтому начало этого процесса по внешним признакам обнаружить трудно. Водородная хрупкость металлов – одна из разновидностей опасного хрупкого разрушения, вызывающая ухудшение механических свойств и приводящая к внезапным отказам металлических компонентов. Падению прочности и пластичности подвержены большинство конструкционных металлов и сплавов, взаимодействующих с водородом.

“В настоящий момент истинный механизм водородной хрупкости остается неизвестным. В научном сообществе на этот счет существует два принципиально разных мнения. Первое: водород провоцирует хрупкое разрушение металла, то же происходит и при низких температурах, – поясняет Евгений Мерсон. – Есть и противоположное мнение: водород в микрообъеме не охрупчивает, а, наоборот, пластифицирует материал, и на микроскопическом уровне рост трещин с участием водорода происходит скорее по вязкому механизму”.

В связи с этим тольяттинские ученые выдвинули гипотезу: если при низких температурах без насыщения материала водородом и после насыщения, приводящего к водородной хрупкости, механизм разрушения образцов одинаковый, то поверхность разрушения и путь трещин относительно микроструктуры стали в этих двух случаях должны также иметь одинаковые признаки.

“Чтобы это проверить, мы взяли образцы чистого железа, сплава железо-кремний (Fe-2.5%Si) и низкоуглеродистой стали. Каждый образец растягивали в разрывной машине и одновременно насыщали водородом, под действием которого на поверхности начинали расти трещины. Затем эти же образцы быстро доламывали в жидком азоте, провоцируя истинно хрупкое разрушение. В финале эксперимента исследовали поверхности разрушения образцов с применением нашей уникальной методики количественного фрактографического анализа”, – рассказал Евгений Мерсон.

В итоге сотрудники НИИПТ ТГУ установили, а также количественно и качественно подтвердили: участки поверхности разрушения, образованные под действием водорода и в результате классического низкотемпературного охрупчивания, принципиально отличаются друг от друга.

“В дальнейших наших исследованиях мы попытаемся проверить, действительно ли водород стимулирует вязкое разрушение металла”, – добавляет Евгений Мерсон.

Разработка сталей, устойчивых к водородной хрупкости, актуальна для всех сфер, где они используются в конструкционных решениях и подвержены исключительно высокому риску разрушения под действием водородосодержащих сред.

В первую очередь, это активно развивающаяся водородная энергетика с разработкой установок генерации водорода, а также технологий и оборудования для хранения и использования водорода для распределенной и автономной энергетики. Именно этим занимаются участники созданного по инициативе ТГУ консорциума «Водородная энергетика», которые объединились с целью ускорения вывода на рынок инновационных продуктов на базе водородных технологий.

Стоит подчеркнуть, что водородная тематика – одна из ключевых для НОЦ мирового уровня «Инженерия будущего». В частности, с участием ТГУ реализуется проект по долгосрочному хранению водорода для альтернативной энергетики.

Результаты исследования водородной хрупкости также пригодятся в нефтегазовой, химической и атомной отраслях промышленности. Данные эксперимента в перспективе могут быть использованы при разработке физико-математических моделей для расчета долговечности стальных изделий, работающих в условиях риска развития водородной хрупкости, а также при разработке сталей, устойчивых к водородной хрупкости.

Исследование проведено при грантовой поддержке Российского научного фонда. Эксперимент описан в статье, опубликованной в высокорейтинговом научном журнале Materials Science and Engineering: A (входит в перечень Q1).
Избранные новости

Возврат к списку