Поиск - новости науки и техники

Водороду – укорот. Самому легкому химическому элементу не позволят больше портить металлы.

Знаете, что способно разрушить даже самый прочный металл? Водород. Этот хорошо известный нам, первый в таблице Менделеева элемент способен за считаные годы сделать непригодными конструкции, которые должны были служить десятки лет. Его воздействие создает проблемы в самых разных областях промышленности, может привести к катастрофам. Как же уберечь металлы от происков водорода? Над решением непростой задачи ученые бьются давно. Обнадеживающие результаты в ходе своего исследования “Влияние периодических нагрузок на свойства металлов, содержащих водород” получает старший научный сотрудник Института проблем машиноведения РАН кандидат физико-математических наук Юрий ЯКОВЛЕВ. Работа молодого ученого поддержана грантом Президента РФ. Наш корреспондент постарался выяснить, как самый легкий химический элемент приводит в негодность прочные конструкции и что можно сделать, чтобы не допустить этого. Юрий Алексеевич начал свой рассказ с экскурса в тему.

– Системы металл – водород имеют большое научное и прикладное значение, – объясняет ученый. – Они используются почти во всех современных направлениях промышленности и энергетики. Таких, как аккумулирование и хранение водорода, ядерная энергетика, металлургия, авиация, космонавтика, кораблестроение, строительство, газовая и нефтяная отрасли. И в каждой из этих отраслей свои проблемы с водородом. 
Например, в термоядерных реакторах типа токамак диффузия водорода и его изотопов приводит к насыщению ими внутренних узлов реактора. При повышении температуры стенок реактора происходит обратная диффузия водорода из стенки в плазму. Этот процесс нарушает устойчивость плазмы при ее нагреве. Накопление водорода и его изотопов (в частности, трития) вызывает растрескивание материала из-за водородной хрупкости и температурных напряжений. Диффузионное просачивание трития сквозь стенки реактора существенно снижает уровень радиационной безопасности технологии управляемого термоядерного синтеза. 
Исследованием влияния водорода на свойства материалов я занимаюсь 11 лет, со второго курса университета.
Современная техника развивается по пути применения облегченных конструкций. Эта тенденция наблюдается повсеместно, начиная с трубопроводов и заканчивая автомобилями. Вес конструкций уменьшается благодаря применению высокопрочных сталей и сплавов. Площадки текучести у современных высокопрочных сплавов уменьшены из-за существенного увеличения пределов прочности, поэтому влияние водорода может сделать ситуацию катастрофической из-за снижения пределов текучести и прочности. В этом случае индуцированное водородом хрупкое разрушение наступает без предвестников и во всем объеме материала. Например, большая проблема – растрескивание и хрупкое разрушение стенок газопроводов, высокопрочных крепежных болтов, которые используются в инженерных сооружениях. 
Поясню некоторые термины. Предел прочности – пороговая величина нагрузки, превысив которую материал начинает разрушаться. До предела прочности есть предел текучести. Это когда происходит удлинение образца (металл течет) без существенного увеличения внешней нагрузки. Представьте, что вы растягиваете полиэтиленовый пакет. Если тянуть не сильно, то он сопротивляется внешнему воздействию. Если чуть сильнее, то он начнет удлиняться, но еще не рвется. Если еще сильнее, то он порвется. Площадка текучести – это такое состояние пакета, при котором он уже начал сильно растягиваться, но еще не порвался.
Кроме образования и ускоренного развития трещин, водород в сочетании с механическими напряжениями может приводить к образованию специфических дефектов внутри материалов. Известны случаи образования “водородных пузырей” диаметром до 50 сантиметров в стенках магистральных газопроводов. При формировании таких дефектов, наполненных водородом, возрастает вероятность разрушения конструкций, так как возможно образование локальных очагов хрупкости. Подобное разрушение происходит очень быстро, с выделением большого количества энергии, достаточного для возгорания и взрыва летучих компонентов, что особенно опасно для нефтяной и газовой промышленности. Водородное охрупчивание привело к множеству аварий и катастроф, например к обрушению крыши спорткомплекса “Крылатское” в 2007 году. Один из крепежных элементов растяжек крыши – стальной палец, имеющий длину 1 метр, а диаметр 538 миллиметров, – разрушился в результате того самого водородного охрупчивания всего за 3 года.
– Как давно проявилась эта проблема?
– Уже в XIX веке было установлено, что растрескивание стальных отливок связано с большими концентрациями водорода в расплавленном металле. С тех пор началась борьба за снижение концентрации водорода в металлах. При каждом технологическом скачке водородная проблема возникала снова. Например, растрескивание стальных отливок происходит при концентрации водорода больше 20 миллионных массовых долей (ppm), а образование флокенов (внутренних разрывов) в стальном прокате при – 4-6 ppm. В течение XX века приходилось несколько раз принципиально ужесточать требования к максимально допустимой концентрации водорода.
– Каковы эти требования теперь?
– Сегодня для многих сплавов концентрация водорода на уровне 1 молекула на 
180 000 атомов матрицы (0,4 ppm) считается критической. Опыт показывает, что превышение критической концентрации всего в два раза приводит к образованию и росту трещин, а затем и к разрушению материала. 
С другой стороны, в 1980-е годы было обнаружено, что водород оказывает и полезное влияние на свойства материалов. В одних и тех же сплавах могут наблюдаться эффекты как водородной хрупкости, так и водородного пластифицирования, и даже сверхпластичности. Например, целый ряд титановых сплавов после насыщения водородом выдерживает деформации 200-300%. Но те же сплавы могут терять пластичность при наличии в них сопоставимых по величине концентраций водорода.
На самом деле, у водорода еще много других полезных и вредных проявлений. Без него часто невозможен синтез наноматериалов и полупроводниковых элементов. Из-за водорода на границах p-n-перехода (слоя с пониженной электропроводностью) долго не удавалось получить светодиоды зеленого и синего цветов. 
…В 2009 году на одной из конференций у меня произошел спор с директором испытательного центра компании Magna International. Я утверждал, что по концентрации водорода смогу определить, сколько циклов растяжения и сжатия прошел образец (такие испытания проводятся для определения механических свойств изделий). Он не верил. Через месяц из этого испытательного центра нам прислали по почте 5 образцов из алюминиевого сплава с известным количеством циклов нагружения и 5 – с неизвестным. Я выиграл спор: по концентрации водорода мы определили требуемое с точностью 10%. Как правило, число циклов нагружения образца измеряется в сотнях тысяч, миллионах раз. В моем случае были образцы с числом циклов нагружения от 350 000 до 10 000 000 раз, при таких цифрах погрешность в 10% – величина незначительная.
То, как водород, растворенный в твердых материалах, влияет на количество циклов нагружения образца до его разрушения, приходится каждый раз выяснять при решении практических задач. 
Сами по себе нагрузки, циклически изменяющиеся во времени, могут привести к разрушению конструкции при напряжениях, существенно меньших, чем предел текучести. Усталость – это одна из самых сложных для описания и прогнозирования причин разрушения. Принято считать, что основной механизм усталости – образование и развитие микротрещин, эти процессы активизируются при неоднородности реальной структуры материалов. Водород как раз и создает такие неоднородности. Например, для алюминия доказано, что поры и другие дефекты внутренней структуры возникают при кристаллизации слитков, как результат затвердевания раствора с водородными пузырьками. При периодических нагрузках возникает диффузия водорода (эффект Горского) в область с максимальными растягивающими напряжениями. Так внутри металла возникают целые области с повышенным содержанием водорода. Именно там зарождаются и развиваются микротрещины, приводящие к ускоренному разрушению.
– Какую цель вы ставите в своих исследованиях? 
– Я изучаю влияние распределения концентраций водорода в различных материалах на их механические свойства. Мне удалось описать перераспределение водорода под действием циклических нагрузок, как резонансный процесс. Значит, есть возможность этим процессом управлять, а следовательно, управлять прочностью и надежностью конструкций. Сейчас я занимаюсь исследованием условий возникновения и исчезновения резонансов.
Также приходится решать задачи, связанные с отработкой механизма производства различных элементов и деталей конструкций. Недавно проводили исследование причин разрушения высокопрочных крепежных болтов. Расчетный срок их службы – 50-80 лет, но уже в течение первых трех месяцев эксплуатации нередко приходится заменять до 30% установленного крепежа. Механические испытания показали нестабильность его параметров по водороду. Нормальное содержание этого элемента в высокопрочных болтах австрийского производства составляет 0,2 ppm, в конструкциях Троицкого моста (Санкт-Петербург) после 100 лет эксплуатации – 0,3 ppm. А в новых болтах китайского производства – 1-2 ppm, что в 5-10 раз превышает норму для высокопрочных сталей. С помощью специальной методики удалось определить содержание водорода в антикоррозионном покрытии крепежных изделий, оно достигает 1000 ppm! Это существенно влияет на снижение прочности конструкций и сроков их службы, так как в процессе эксплуатации концентрация водорода в теле болта будет увеличиваться за счет диффузии водорода из покрытия. Запас водорода в покрытии настолько велик, что значение предельной концентрации 2-3 ppm будет накапливаться очень быстро. Таким образом, нам удалось выяснить, что причиной разрушения болтов стало антикоррозионное покрытие, нанесенное для их сохранения.
Фирюза ЯНЧИЛИНА
Фото предоставлено Ю.Яковлевым

Нет комментариев