Развитие механизмов водородного растрескивания металлических систем и методов защиты стального проката от коррозионно-механического разрушения

Хрупкое разрушение высокопрочных металлов и сплавов применяемых на предприятиях химической и нефтеперерабатывающей промышленности, вызванное воздействием агрессивных водородсодержащих сред, представляет собой серьезную научную проблему, актуальность которой за последние десятилетия резко возросла в связи с открытием аномального воздействия водорода на комплекс свойств металлов и сплавов (аномальная пластическая автодеформация железа, структурно-фазовые превращения, синергетические эффекты микропластичности, эффект обратимой потери формы в аморфных металлических сплавах и многие другие). Значительное количество источников водорода (коррозия в водных растворах, абсорбция водорода при производстве сварочных операций и нанесении технологических защитных покрытий или при катодной защите подземных трубопроводов) вызывает значительные трудности при описании процессов водороднойдеградации металлических материалов. Деградация проявляется различными способами, такими как: водородное растрескивание (ВР) высокопрочных сталей; участие водорода в процессе коррозионного растрескивания под напряжением (КРН) нержавеющих сталей; растрескивание труб ядерных реакторов, выполненных из циркониевых сплавов и охрупчивание титановых сплавов путем образования гидрида, деградация GaAs монолитных СВЧ-интегральных схем на спутниках и др. Вредное влияние водорода на механические свойства впервые было отмечено Джонсоном в 1875 г. С того времени ученые добились многих успехов в разработке металлов с оптимальными параметрами прочности и пластичности. Несмотря на многолетние исследования проблема взаимодействия систем металл-водород остается открытой в связи с разнообразием подходов и методик к оценке охрупчивающего воздействия водорода и водородсодержащих сред. Так вплоть до настоящего времени не удалось установить единый механизм взаимодействия водорода с металлическими материалами, который позволил бы объяснить всю совокупность явлений, связанных с водородным разрушением. Поэтому анализ механизмов водородного растрескивания металлических систем и разработка методов защиты стального проката от коррозионно-механического разрушения являются актуальными направлениями научной и практической деятельности.

1. Шашкова Л.В. Фрактально-синергетические аспекты локальной микроповреждаемости и разрушения диффузионно-активированной водородом стали: дис. . . . д-ра физ.-мат. наук: 01.04.07 / Шашкова Лидия Владимировна. – М., 2014. 336 с.

2. Шаповалов В.И. Легирование водородом.– Днепропетровск: Журфонд, 2013. 385 с.

3. Hirth J.P. Effects of hydrogen on the properties of iron and steel // Metall. Trans. A. – 1980. V. 11A. P. 861-890.

4. Troiano A.R., Hehemann R.F. Stress corrosion cracking of ferritic and austenitic stainless steels / Hydrogen Embrittlement and Stress Corrosion Cracking; R. Gibala and R.F. Hehemann (ed.). ASM, 1995. P.231-248.

5. Birnbaum, H.K. Mechanisms of hydrogen related fracture of metals / Hydrogen effects on materials behavior; N.R. Moody and A.W Thompson (eds). – TMS. Warrendale, PA. 1990. P. 639-658.

6. Lynch S.P. Chapter 1: Mechanistic and fractographic aspects of stress-corrosion cracking (SCC) // Stress Corrosion Cracking. Woodhead Publishing Limited, 2011. P. 3-89.

7. Lynch S.P. Chapter 2: Hydrogen embrittlement (HE) phenomena and mechanisms // Stress Corrosion Cracking. Woodhead Publishing Limited, 2011. P. 90-130.

8. Анализ теоретических представлений о механизмах водородного растрескивания металлов и сплавов / Н.Н. Сергеев, А.Н. Сергеев, С.Н. Кутепов, А.Е. Гвоздев, Е.В. Агеев // Известия Юго-Западного государственного университета. 2017. Т. 21, № 3(72). С. 6-33.

9. Механизмы водородного растрескивания металлов и сплавов, связанные с усилением дислокационной активности / Н.Н. Сергеев, С.Н. Кутепов, А.Е. Гвоздев, Е.В. Агеев // Известия Юго-Западного государственного университета. 2017. Т. 21, № 2(71). С. 32-47.

10. Сергеев Н. Н., Сергеев А. Н. Механические свойства и внутреннее трение высокопрочных сталей в коррозионных средах: монография. – Тула: Изд-во ТулГУ, 2018. 430 с.

11. ГОСТ Р 9.915-2010. Металлы, сплавы, покрытия и изделия: Методы испытаний на водородное охрупчивание. – М.: Стандартинформ, 2011. 36 с.

12. ASTM F519-17. Standard Test Method for Mechanical Hydrogen Embrittlement Evaluation of Plating/Coating Processes and Service Environments / in: Annual Book of ASTM Standards, ASTM International, West Conshohocken, PA, USA, 2017.

13. ГОСТ 9.901.1-89. Единая система защиты от коррозии и старения. Металлы и сплавы. Общие требования к методам испытаний на коррозионное растрескивание. – М.: Издательство стандартов, 1993. 21 с.

14. ГОСТ 9.901.4-89. Единая система защиты от коррозии и старения. Металлы и сплавы. Испытания на коррозионное растрескивание образцов при одноосном растяжении. – М.: Издательство стандартов, 1993. 7 с.

15. ГОСТ 9.903-81. Единая система защиты от коррозии и старения. Стали и сплавы высокопрочные. Методы ускоренных испытаний на коррозионное растрескивание. – М.: Издательство стандартов, 1993. 16 с.

16. ГОСТ 25156-82. Металлы. Динамический метод определения характеристик упругости. – М.: Издательство стандартов, 1982. 21 с.

17. Hydrogen interactions with defects in crystalline solids / S. M. Myers, M. I. Baskes, H. K. Birnbaum, J. W. Corbett, G. G. DeLeo, S. K. Estreicher, E. E. Mailer, P. Jena, N. M. Johnson, R. Kirchheim, S. J. Pearton, M. J. Stavola // Rev. Mod. Phys. 1992. Vol. 64. № 2. P. 559-617.

18. Кутепов С. Н. О некоторых аспектах взаимодействия водорода с дислокационными скоплениями в металлах и сплавах // Сб. трудов XIV Российской ежегодной конференции молодых научных сотрудников и аспирантов .Физико-химия и технология неорганических материалов.. (17–20.10.2017, Москва). – М.: ИМЕТ РАН, 2017. С. 42-44.

19. Kirchheim R., Hirth J.P. Hydrogen adsorption at cracks in Fe, Nb and Pd // Scr. Metall. 1982. Vol. 16. P. 475-478.

20. Zhang T.-Y., Hack J. The equilibrium concentration of hydrogen atoms ahead of a mixed mode I-mode III crack tip in single crystal iron // Metall. Mater. Trans. A. 1999. Vol. 30A. P. 155-159.

21. Hirth J.P., Carnahan B. Hydrogen adsorption at dislocations and cracks in Fe // Acta Metall. 1978. Vol. 26. P. 1795-1803.

22. Механизмы водородного растрескивания металлов и сплавов. Ч. I (ОБЗОР) / Н. Н. Сергеев, А. Н. Сергеев, С. Н. Кутепов, А. Г. Колмаков, А. Е. Гвоздев // Материаловедение. № 3. 2018. С. 27–33.

23. Механизмы водородного растрескивания металлов и сплавов. Ч. II (ОБЗОР) / Н. Н. Сергеев, А. Н. Сергеев, С. Н. Кутепов, А. Г. Колмаков, А. Е. Гвоздев // Материаловедение. № 4. 2018. С. 20–29.

24. Nelson H.G. Hydrogen embrittlement // Treatise on Materials Science and Technologie. 1983. Vol. 25. P. 275-359.

25. Tien J.K., Thomson A.W., Bernstein I.M., Richards R.J. Hydrogen transport by dislocation // Metall. Trans. A. 1976. Vol. 7A. P. 821-829.

26. Головин С.А., Головин И.С. Механическая спектроскопия релаксации Снуковского типа // Металловедение и термическая обработка металлов. 2012. №5 (683). С. 3-11.

27. Чуканов А.Н., Яковенко А.А. Роль водорода в деградации и деструкции малоуглеродистых сталей // Известия ТулГУ. Серия: Естественные науки. 2012. Вып. 1. С. 211-219.

28. Чуканов А.Н., Яковенко А.А., Широкий И.Ф. Механическая спектроскопия в изучении субструктурной деградации углеродистых сталей // Вестник ТГУ. 2013. Т. 18. Вып. 4. С. 1625-1626.

29. Шоршоров М.Х., Гвоздев А.Е., Золотухин В.И., Сергеев А.Н., Калинин А.А., Бреки А.Д., Сергеев Н.Н., Кузовлева О.В., Стариков Н.Е., Малий Д.В. Разработка прогрессивных технологий получения и обработки металлов, сплавов, порошковых и композиционных наноматериалов: монография / Тула, Изд-во ТулГУ, 2016. 235 с.

30. Сергеев Н.Н., Гвоздев А.Е., Сергеев А.Н., Бреки А.Д., Калинин А.А., Александров С.Е., Стариков Н.Е., Кузовлева О.В., Малий Д.В., Кутепов С.Н., Цой Е.В., Клементьев Д.С., Соломатникова Е.Б. Ресурсы деформационной способности различных материалов: учебное пособие. – Тула, Изд-во: ТулГУ, 2016. 172 с.

31. Гвоздев А.Е., Сергеев Н.Н., Минаев И.В., Тихонова И.В., Колмаков А.Г. Роль процесса зародышеобразования в развитии некоторых фазовых переходов первого рода // Материаловедение. 2015. № 1. С. 15-21.

32. Gvozdev A.E., Golyshev I.V., Minayev I.V., Sergeyev A.N., Sergeyev N.N., Tikhonova I.V., Khonelidze D.M., Kolmakov A.G. Multiparametric optimization of laser cutting of steel sheets // Inorganic Materials: Applied Research. 2015. Т. 6. № 4. С. 305-310.

33. Gvozdev A.E., Bogolyubova D.N., Sergeev N.N., Kolmakov A.G., Provotorov D.A., Tikhonova I.V. Features of softening processes of aluminum, copper, and their alloys under hot deformation // Inorganic Materials: Applied Research. 2015. Т. 6. № 1. С. 32-40.

34. Бреки А.Д., Гвоздев А.Е., Колмаков А.Г. Использование обобщенного треугольника паскаля для описания колебаний силы трения материалов // Материаловедение. 2016. № 11. С. 3-8.

35. Макаров Э.С., Гвоздев А.Е., Журавлев Г.М., Сапожников С.В., Сергеев А.Н., Колмаков А.Г., Бреки А.Д., Малий Д.В., Добровольский Н.Н. Анализ уравнений теории пластичности порошковых металлических систем // Чебышевский сборник. 2018, 19 (1), C. 152-166. URL: https://doi.org/10.22405/2226-8383-2018-19-1-152-166

36. Макаров Э.С., Журавлев Г.М., Гвоздев А.Е., Сапожников С.В., Сергеев А.Н. Свойства уравнений теории пластичности дилатирующих материалов в концепции пластического газа // Чебышевский сборник. 2018, 19 (2), C. 163-171. URL: https://doi.org/10.22405/2226-8383-2018-19-2-163-171

37. Журавлев Г.М., Гвоздев А.Е., Колмаков А.Г., Сергеев А.Н., Малий Д.В. Применение математического метода локальных вариаций для решения задач пластического формоизменения металлических, порошковыхи нанокомпозиционных материалов // Чебышевский сборник. 2018, 19 (4), C. 43-54. URL: https://doi.org/10.22405/2226-8383-2018-19-4-43-54

38. Макаров Э.С., Гвоздев А.Е., Журавлев Г.М., Сергеев А.Н., Минаев И.В., Бреки А.Д., Малий Д.В. Применение теории пластичности дилатирующих сред к процессам уплотнения порошков металлических систем // Чебышевский сборник. 2017, 8(4), С. 268-284. URL: https://doi.org/10.22405/2226-8383-2017-18-4-268-284

39. Гвоздев А.Е., Журавлев Г.М., Сапожников С.В. К теоретическому анализу процесса компактирования порошковых материалов прессованием // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2017б № 4. С. 273-283.

40. Breki A.D., Aleksandrov S.E., Tyurikov K.S., Kolmakov A.G., Gvozdev A.E., Kalinin A.A. Antifriction properties of plasma-chemical coatings based on SiO2 with MoS2 nanoparticles under conditions of spinning friction on SHKH15 steel // Inorganic Materials: Applied Research. 2018. Т. 9. № 4. С. 714-718.