Влияние водорода на свойства стали

Водород может оказывать на металл двоякое влияние:

• с одной стороны, он защищает его от насыщения кислородом и азотом, предупреждает окисление, связывая кислород, восстанавливает при известных условиях металл из оксидов, препятствует образованию нитридов железа;

• с другой - растворяется в металле и становится причиной появления существенных дефектов в шве — пористости и трещин.

Металлы по способности взаимодействовать с водородом делятся на две группы:

1) не образующие химических соединенийс водородом:Fe,Ni, Al, Со, Си, Mo, Pt и др.;

2) образующие твердые растворы и химические соединенияс водородом (гидриды) — Zr, Ti, V, Та, Th и др.

Водород не образуют химических соединений с Fe, но образует химические соединения с легирующими элементами стали.

Атомарный водород растворяется как в твердом, так и в жидком железе.

Для сварных соединений нежелательно резкое изменение растворимости газов.

Растворимость водорода в железе с повышением температуры растет иизменяется скачкообразно в моменты полиморфных превращений.

При переходе железа из твердого состояния в жидкое наблюдается резкое возрастание растворимости водорода, достигающее максимальной величины при температуре ~ 2400 °С.Таким образом, наиболее значительное насыщение металла водородом происходит в процессе переноса капель.

Степень насыщения жидкого металла водородом зависит от наличия в газовой среде элементов, способных связывать водород в химические соединения, нерастворимые в жидком металле и тем самым снижающие парциальное давление его в газовой среде. Так, образование в газовой среде соединений ОН и HF, нерастворимых в жидком металле, снижает насыщенность металла водородом.

Находясь в окисленном жидком металле, водород взаимодействует с кислородом по уравнениям:

Поэтому наличие в металле кислорода ограничивает концентрацию в нем водорода. На рис. 116 приведены данные о совместном растворении водорода и кислорода в жидком железе. Как видим,даже незначительная окисленность жидкого металла резко снижает содержание в нем водорода.

Насыщение водородом жидкого металла отрицательно сказывается на его свойствах. При достаточно быстром охлаждении металла ванны не весь растворенный в ней водород успевает выделиться, что ведет к образованию газовых пузырей.

Оставшийся в металле атомарный водород превращается в молекулярный, что ведет к формированию газовой фазы в микротрещинах металла.Парциальное давление атомарного водорода в зоне микротрещин снижается, что ведет к его притокуза счет диффузии.

Непрерывно образующийся молекулярный водород создает значительные давления, так как сам он не в состоянии диффундировать через металл и практически нерастворим в нем.

В связи с тем, что давление направлено во все стороны, в металле возникает объемное напряженное состояние, приводящее к снижению пластических свойств его, а иногда — и к хрупкому разрушению.

Следовательно, хотя водород и не образует с металлом шва соединений, отрицательно влияющих на прочность этого металла, он усиливает вредное влияние макро- и микронесплошностей,способствует резкому снижению пластических свойств металла и его хрупкому разрушению.