Опишите суть водородной коррозий металлов
Водородная коррозия - повреждение стали и ее охрупчивание под влиянием длительного воздействия водородной среды при повышенных (gt; 200 °С) температурах эксплуатации в результате физикохимического взаимодействия водорода с отдельными компонентами и/или фазами сплава.
Водородное повреждение при повышенных температурах связано с образованием продуктов реакции между водородом и углеродом ,В углеродистой стали суммарная химическая реакция между углеродом, связанным в карбидах железа, и водородом может быть представлена в виде
Образующийся в результате реакции метан покидает металл и/ или образует внутренние полости и трещины, наполненные газообразным метаном под высоким давлением. В поверхностных слоях металла формируются обезуглероженные зоны, типа представленной на рис. 4.40, б. Водородная коррозия может протекать во всех сталях, если они содержат углерод в доступной для реакции форме и он достаточно подвижен, чтобы вступать в реакцию с водородом.
Восприимчивость стали к водородной коррозии зависит от легирующих элементов, которые воздействуют на активность углерода. Скорость водородной коррозии зависит от давления водорода и температуры, а также от размера зерен, состава их границ, степени наклепа стали и других факторов.
Количество водорода, растворенного в стали, определяется парциальным давлением атомарного водорода на границе раздела газ - металл. Это давление зависит от общего давления газа и константы равновесия реакции
где k — коэффициент пропорциональности.
Для предотвращения водородной коррозии используют легирование стали. Введение карбидообразующих элементов, таких как Сг, Мо, W, Та и V, существенно повышает стойкость стали против этого вида повреждения и охрупчивания [82]. Влияние указанных выше элементов связано с образованием в стали при ее легировании устойчивых карбидов.
Водородная коррозия необратима и никакой термической обработкой не удается восстановить первоначальные свойства металла. В отличие от водородного охрупчивания классического типа, когда не
происходит химических реакций, охрупчивание и повреждение металла может происходить даже без приложения внешней нагрузки.
Механизм водородной коррозии в углеродистых и низколегированных сталях при повышенных температурах и давлении водорода следующий. Сначала на поверхности соприкосновения металла со средой происходят физическая адсорбция и диссоциация молекул водорода, затем миграция адсорбированных атомов на поверхности металла и хемосорбция [82]. По данным авторадиографических и электронномикроскопических исследований сразу же при хемосорбции водорода в стали начинается процесс обезуглероживания.
Диффузия водорода в решетке металла (стадия решеточного переноса) происходит посредством перемещения протонов, отдавших свои электроны электронному газу. Водород в виде протонов, по сути, является активным химическим элементом. Он может взаимодействовать с собственными атомами или с атомами других химических веществ и дислокациями. При высоком давлении водорода и температурах gt; 200 °С равновесие реакции обезуглероживания смещается в сторону образования метана и происходит практически полное разложение цементита. Размер молекул метана (d = 296 нм) достаточно большой, чтобы такая молекула свободно диффундировала через решетку железа. Предположительно [120], в первые моменты реакции внутри зерен образуется не метан, а непредельные углеводороды типа СН, молекулы которых имеют малые размеры, позволяющие им свободно перемещаться по границам блоков (субзерен). При выходе к границам зерен, где имеется избыток водорода, они гидрируются до образования метана
