Kruchość wodorowa śrub ze stali stopowej (1)
Pękanie śrub kruche wodorowe jest powszechną formą awarii. Ponieważ pękanie kruche wodorowe jest opóźnione i ukryte, szkody, jakie powoduje, są znacznie większe niż uszkodzenia spowodowane innymi pęknięciami. Od tego stulecia pęknięcia kruche wodorowe śrub ze stali stopowej są powszechne, poważnie utrudniając normalny porządek rozwoju modeli lotniczych i osiągnęły poziom „mówienia o odbarwieniu wodorowym”. Aby umożliwić większej liczbie pracowników naukowo-technicznych zrozumienie mechanizmu kruchości wodorowej, uchwycenie prawa kruchości wodorowej śrub i skuteczne zapobieganie występowaniu kruchości wodorowej śrub, wyniki tych badań są teraz napisane i przedstawione czytelnikom. odniesienie.
1 Mechanizm i proces pękania kruchości wodorowej
1.1 Pojęcie kruchości wodorowej
Badania wykazały, że możliwe formy wodoru w metalach obejmują atomy wodoru, jony wodoru, cząsteczki wodoru, metan, grupy atomowe, wodorki metali itp. Wśród nich główną przyczyną powstawania wodoru są wolne atomy wodoru, jony wodoru i cząsteczki wodoru. kruchość. Wodór w postaci roztworu stałego jest główną przyczyną kruchości materiału. Punkty uszkadzania metali przez wodór można z grubsza podzielić na dwie kategorie: pierwsza polega na tym, że wodór płynie i gromadzi się w materiale metalowym, tworząc mikropęknięcia, pęcherze i ostatecznie powodując pękanie kruche wodorowe; druga to korozja wodorowa, to znaczy wodór znajduje się w materiale metalowym. W materiale zachodzi działanie chemiczne, w wyniku którego powstają kruche wodorki, co zmienia właściwości mechaniczne materiału i powoduje kruchość wodorową materiału. Pęknięcie kruchości wodorowej śrub ze stali stopowej i podkładek sprężystych należy do pierwszej kategorii, a pękanie kruchości wodorowej śrub ze stopu tytanu należy do drugiej kategorii.
1.2 Mechanizm pękania kruchości wodorowej
Tak zwane pęknięcie kruchości wodorowej to opóźnione pęknięcie, które występuje, gdy wodór wnika w materiał metalowy i powoduje uszkodzenie materiału, powodując poddanie materiału naprężeniom statycznym niższym niż granica plastyczności materiału. Niebezpieczeństwo polega na tym, że ten rodzaj pęknięcia występuje poniżej granicy plastyczności materiału bez żadnego odkształcenia plastycznego, a czas opóźnienia nie może być kontrolowany. Dlatego pękanie kruche wodorowe jest bardzo szkodliwe dla inżynierii mechanicznej. Jedynie poprzez zrozumienie mechanizmu pękania kruchości wodorowej i opanowanie praw pękania kruchości wodorowej można skutecznie uniknąć wystąpienia pęknięcia kruchości wodorowej.
Dysocjacja lub dyfuzja wodoru w wysokowytrzymałych materiałach stalowych podlega pewnym zasadom, a zarówno gradient stężenia, jak i gradient naprężeń są siłami napędowymi dyfuzji wodoru. Innymi słowy, wodór dyfunduje z obszaru o wysokim stężeniu do obszaru o niskim stężeniu i gromadzi się z obszaru o niskim naprężeniu do obszaru o wysokim naprężeniu. W przypadku porów, wtrąceń, mikropęknięć i innych defektów w materiałach stalowych o wysokiej wytrzymałości lub w przypadku wysokiego stężenia naprężeń, wolne jony wodoru będą gromadzić się na końcach mikropęknięć lub obszarów o wysokiej koncentracji naprężeń pod wpływem naprężenia, łącząc się z tworzą cząsteczki wodoru. Jednocześnie wzrasta ciśnienie wodoru. Kiedy ciśnienie osiągnie określony poziom, mikropęknięcia materiału rozszerzają się, rozciągają i uwalniają ciśnienie, podczas gdy cząsteczki wodoru uciekają z materiału metalicznego w postaci wodoru. Pod wpływem stresu wolny wodór nadal gromadzi się pod koniec rozszerzonych mikropęknięć, tworząc nowe cząsteczki wodoru, co powoduje, że mikropęknięcia nadal się rozszerzają i ewoluują w większe pęknięcia. Taka powtarzająca się kontynuacja i powtarzająca się akumulacja wodoru w sposób ciągły tworzą cząsteczki wodoru, a pęknięcia materiału nadal rosną i rozszerzają się, ostatecznie prowadząc do pęknięcia materiału metalowego. Mechanizm ten determinuje opóźnienie pękania kruchości wodorowej i niepewność opóźnionego czasu pękania. co powoduje, że mikropęknięcia nadal się rozszerzają i ewoluują w większe pęknięcia. Taka powtarzająca się kontynuacja i powtarzająca się akumulacja wodoru w sposób ciągły tworzą cząsteczki wodoru, a pęknięcia materiału nadal rosną i rozszerzają się, ostatecznie prowadząc do pękania materiału metalowego. Mechanizm ten determinuje opóźnienie pękania kruchości wodorowej i niepewność opóźnionego czasu pękania. co powoduje, że mikropęknięcia nadal się rozszerzają i ewoluują w większe pęknięcia. Taka powtarzająca się kontynuacja i powtarzająca się akumulacja wodoru w sposób ciągły tworzą cząsteczki wodoru, a pęknięcia materiału nadal rosną i rozszerzają się, ostatecznie prowadząc do pęknięcia materiału metalowego. Mechanizm ten determinuje opóźnienie pękania kruchości wodorowej i niepewność opóźnionego czasu pękania.
Ruch wodoru w materiałach stalowych o wysokiej wytrzymałości jest zjawiskiem odwracalnym. Może pływać w materiale według własnych zasad lub może wypychać wodór do ucieczki z materiału, usuwając wodór, co jest tak zwane „usuwanie wodoru” lub „usuwanie wodoru”.
2 Podstawowe prawo pękania kruchości wodorowej
2.1 Trzy elementy pęknięcia kruchości wodorowej
Aby wystąpiło pęknięcie kruchości wodorowej, muszą być spełnione trzy warunki, tak zwane trzy elementy pęknięcia kruchości wodorowej, jak pokazano na rysunku 1. Trzy elementy to: ①Materiały wrażliwe na kruchość wodorową; ② Wdychanie określonej ilości wolnego wodoru w materiale; ③Materiał wytrzymuje wystarczające statyczne naprężenie rozciągające.
2.2 Zachodzenie procesu pękania kruchości wodorowej
W normalnych warunkach pęknięcie kruche wodorowe musi przejść przez trzy etapy: okres inkubacji, okres wzrostu pęknięcia i nagłe pęknięcie.
2.3 Materiały, które mogą powodować pękanie kruchości wodorowej
Nie wszystkie materiały mogą powodować pękanie kruchości wodorowej. Materiały, które mogą powodować pękanie kruchości wodorowej, odnoszą się do materiałów wrażliwych na kruchość wodorową. Na wrażliwość materiałów na wodór wpływa wiele czynników, w tym głównie skład chemiczny, struktura metalograficzna i ostateczna wytrzymałość materiału na rozciąganie.
Badania wykazały, że węgiel ma większy wpływ na wrażliwość materiałów na wodór. Im wyższa zawartość węgla, tym materiał jest bardziej wrażliwy na wodór. Zanieczyszczenia takie jak siarka i fosfor są również głównymi czynnikami zwiększającymi podatność materiału na kruchość wodorową.
Struktura metalograficzna ma również znaczący wpływ na wrażliwość materiału na wodór. Struktura metalograficzna ze zmniejszającą się wrażliwością na wodór: martenzyt odpuszczony, bainit górny (gruby), bainit dolny (drobny), sorbit, perlit i austenit. Pod względem struktury metalograficznej, im grubsze ziarna kryształu, tym materiał jest bardziej wrażliwy na wodór. Im wyższa wytrzymałość materiału na rozciąganie, tym bardziej wrażliwy na kruchość wodorową. Na arenie międzynarodowej powszechnie przyjmuje się, że pękanie kruche wodorowe występuje tylko wtedy, gdy wytrzymałość na rozciąganie jest równa lub większa niż 1050 MPa.
Wady materiałowe (mikropęknięcia, pory, wtrącenia itp.) To miejsca, w których wodór ma tendencję do gromadzenia się. Im więcej defektów, tym więcej źródeł pęknięć materiału i tym wyższa wrażliwość materiału na kruchość wodorową. Nagłe zmiany kształtu struktury materiału są miejscami, w których koncentruje się naprężenie, a także tam, gdzie lubi się gromadzić wodór. Im większy współczynnik koncentracji naprężeń, tym bardziej jest wrażliwy na kruchość wodorową.
