Лики разрушения. Хрупкость может быть разной

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).