Ученые ПНИПУ выяснили, как водород влияет на хрупкость деталей из сплавов

1179
06.02.2024, 14:14

Водород — самый распространенный элемент в природе с уникальными свойствами. Например, в металлургии его применяют для плавления и сваривания тугоплавких металлов. Но с другой стороны, воздействие водорода способно резко уменьшить пластичность и прочность сплава, причем негативный эффект может появиться даже от малого количества. Ученые ПНИПУ исследовали, как водород воздействует на коррозионностойкие сплавы и сплавы цветных металлов. Результаты позволят определить условия преждевременного износа деталей, в том числе во время их обработки. Это повысит надежность оборудования, рассчитанного на огромные нагрузки, например, в машино-, авиа- и ракетостроении.

Исследование опубликовано в журнале «Вестник ПНИПУ. Химическая технология и биотехнология» №4 2023 за год.

Металлы и сплавы под действием водорода изменяют свои свойства, и у некоторых из них даже небольшое содержание водорода приводит к снижению вязкости или пластичности, то есть к охрупчиванию и возможному образованию микротрещин. Изучение этого процесса на практике имеет огромное значение.

Существует классификация водородного охрупчивания, по которой его делят на три вида. Первый, когда металл или сплав насыщается водородом из окружающей газовой среды (например, нефтяное оборудование находится под открытым небом на территории с высокой влажностью воздуха). Второй, когда водород попадает в металл во время сварки, литья и затвердевания или в процессе коррозии. И третий — водород проникает через металл и вступает в химическую реакцию с элементами сплава, этот процесс называется реакционным охрупчиванием.

Первые два вида ускоряются при внешнем механическом воздействии на сплав, а последний подразумевает образование новой фазы внутри самого металла. Изучение этого процесса важно, потому что воздействие водорода может привести к значительным повреждениям даже без внешнего воздействия, когда оборудование «просто стоит».

Ученые Пермского Политеха изучили возможности водородного охрупчивания коррозионностойких сплавов и сплавов цветных металлов без проведения операций над их структурой (отжига, закалки и пр.), то есть в состоянии поставки.

Политехники взяли образцы самых популярных в промышленности сплавов. На основе железа, например, изготавливают детали, работающие при повышенных температурах. Из медных сплавов делают гайки, болты, шестеренки, зубчатые колеса, а на основе алюминия — детали для силовых элементов конструкций самолетов и кузовов автомобилей. Титановые сплавы, благодаря уникальному сочетанию свойств, также активно используются в различных сферах.

Исследователи выбрали способ насыщения водородом из окружающей среды. Отшлифованные образцы сплавов поместили в стеклянную емкость, заполненную водородом, и выдерживали их в течение 1500-1600 часов с периодическим контролем микротвердости. 

— Этот показатель является косвенным признаком наводораживания сплавов, по которому можно оценить воздействие водорода на металл. Результаты исследования показали, что микротвердость всех образцов либо увеличивалась, либо уменьшалась. Например, показатель образцов на основе железа и титана несколько увеличился, это значит, что началось водородное охрупчивание. При этом микротвердость образцов на основе меди и алюминия уменьшилась, то есть водород при комнатной температуре оказал на сплавы размягчающее воздействие, — рассказывает магистрант кафедры химических технологий ПНИПУ Анастасия Молоканова.

— В итоге мы пришли к выводу, что чем выше исходная микротвердость сплава, тем больше она будет меняться в ходе наводораживания. Медь и алюминий, обладающие небольшой микротвердостью, показали размягчение, а сплавы с большей микротвердостью, основу которых составляет железо и титан, показали ее увеличение, что связано с большей восприимчивостью к водороду их состава и структуры, — объясняет доцент кафедры химических технологий ПНИПУ Дмитрий Саулин.

Ученые Пермского Политеха изучили, влияние водорода на характер изменения свойств сплавов, широко применяемых в промышленности. Это позволит учитывать изменения свойств материалов при проектировании узлов машин и механизмов, работающих в водородсодержащих средах, например, в ходе развития водородной энергетики.