DISLOCATION INDUCED MECHANISMS OF HYDROGENE EMBRITTLEMENT OF METALS AND ALLOYES

The paper discusses some models of hydrogen-stress cracking of metals and alloys. These models are based on hydrogen-dislocation interaction. It is shown that the critical role of dislocation emissions in AIDE mechanism is, in its turn, similar to HELP except for a higher localization of deformations compared with microvoids coalescence that is related with HELP, because that stresses needed for the dislocation propagation are high enough to boost general dislocation activity in deformation zones in front of cracks. This results in the formation of small voids on intersecting deformation bands. It has been observed that a crack is essentially growing due to the emission of dislocations. However the emission of dislocation towards the tip of a crack and the formation of voids in front of a crack contribute a lot to the process. Furthermore, the formation of voids in front of a crack makes for a short radius of the crack tip and low angles of the crack tip opening displacement The paper considers crack growing in inert media in plastic materials. Crack plastic growth takes place mainly due to dislocations that originate from the sources in the deformation zone in front of the crack tip and are propagating backwards along the crack tip plane with a small or zero emission of the dislocations that start from the crack tip. Small number of the dislocations that originate in the sources lying closest to the crack tip will intersect the tip of the crack precisely thus promoting the crack development while the majority of the dislocation will have either blunting effect or contribute to the deformation in front of the crack. Thus to cause a crack growth due to microvoid coalescence and deep cavities with shallow depressions therein on fracture surfaces there must be a large deformation in front of the crack. It is demonstrated that the cracking mechanism resulting from the AIDE mechanism will be either intergranular or transcrystalline depending on the location where the propagation of dislocations and formation of voids run mostly easily. In case of transcrystalline cracking alternative sliding motion along the planes on either side of the crack will tend to minimize the reverse stress caused by previously emitted dislocations. Then the macroscopic transcrystalline cracking plane will divide the angle between the slide planes and the crack front will be located on the intersection line of the crack planes and the slide planes. However, if there is a difference in the number of slides that occur on either crack side because of big differences in shear stresses on different slide planes, there will be deviations from the planes and directions with low refraction index. If the plane index is not low, there still can be deviations in the failure planes depending on the location of nucleus voids in front of the crack. A detailed description of the relationship between hydrogen effect on the behavior of dislocations and voids, sliding motion localization and hydrogen embrittlement is still lacking, moreover, it presents a serious problem that can be solved by describing the kinetics of hydrogen embrittlement process. Thanks to their sophisticated nature HELP and AIDE mechanisms can be embrittlement contributors both in cracking and in the formation of cavities due to ductile fracture.

эмиссия дислокаций, вершина трещины, HELP-механизм, AIDE-механизм, HEDE-механизм, dislocation emission, crack tip, HELP mechanism, AIDE mechanism, HEDE mechanism

1. McNabb A., Foster P. K. A new analysis of the diffusion of hydrogen in iron and ferritic steels // Trans. Met. Soc. AIME. 1963. V. 227. № 3. P. 618-627.

2. Dayal R.K. Parvathavarthini N. Hydrogen embrittlement in power plant steels // Sadhana. 2003. V. 28. P. 431-451.

3. Развитие повреждаемости и обезуглероживание высокопрочных низколегированных сталей в условиях водородного охрупчивания / Н.Н. Сергеев, А.Н. Чуканов, В.П. Баранов, А.А. Яковенко // МиТОМ. 2015. № 2. С. 4-9.

4. Накопление и транспорт водорода в ферритно-мартенситной стали РУСФЕР-ЭК-181 / Е.А. Денисов, Т.Н. Компаниец, М.А. Мурзинова, А.А. Юхимчук (мл.) // ЖТФ. 2013. Т. 83. № 6. С. 38-44.

5. Lynch S.P. Hydrogen embrittlement phenomena and mechanisms // Corrosion Reviews 30. 2012. P. 105-123.

6. Нагорных И.Л. Молекулярно-динамическое моделирование поведения системы железо-водород при деформировании: автореф. дис. … канд. физ.-мат. наук: 01.04.17. Ижевск, 2011. 20 с.

7. Кутепов С.Н. Водородное усиление локализации пластичности в металлах и сплавах // Физико-химия и технология неорганических материалов: сб. мат. XIII Российской ежегодной конференции молодых научных сотрудников и аспирантов. (18-21.10.2016, Москва). М.: ИМЕТ РАН, 2016. С. 40-41.

8. Власов Н.М., Зазноба В.А. Влияние атомов водорода на подвижность краевых дислокаций // ФТТ. 1999. Т. 41. № 3. С. 451-453.

9. Beachem C.D. A new model for hydrogen assisted cracking (hydrogen embrittlement) // Metall. Trans. 1972. V.3. P. 437-451.

10. Birnbaum H.K., Sofronis P. Hydrogen-enhanced localized plasticity - a mechanism for hydrogen-related fracture // Mater. Sci. Eng., A. 1994. V. 176A. P.191-202.

11. Robertson I.M. The effect of hydrogen on dislocation dynamics // Engineering Fracture Mechanics. 1999. V. 64. P. 649-673.

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

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

14. Eastman J., Matsumoto T., Narita N., Heubaum F., Birnbaum H.K. Hydrogen effects in nickel embrittlement or enhanced ductility? // in Proc. of Int. Conf. on Hydrogen in Metals, I. M. Bernstein and A. W. Thompson, eds. AIME: New York, 1980. P. 397-409.

15. Matsumoto T., Eastman J., Birnbaum H.K. Direct observations of enhanced dislocation mobility due to hydrogen // Scripta Metall. 1981. V. 15. P. 1033-1037.

16. Lynch S.P. A Fractograpic Study of Gaseous Hydrogen Embrittlement and Liquid-Metal Embrittlement in a Tempered Martensitic Steel // Acta Metall. 1984. V. 32 № 1. P. 79-90.

17. Lynch S. P. A fractographic study of hydrogen-assisted cracking and liquid-metal embrittlement in nickel // J. Mater. Sci. 1986. V. 21. P. 692-704.

18. Lynch S. P. Hydrogen embrittlement phenomena and mechanisms // Corrosion Reviews 30. 2012. P. 105-123.

19. Lynch S. P. Progress towards understanding mechanisms of hydrogen embrittlement and stress corrosion cracking // CORROSION 2007. 2007. P. 1-55.

20. Barnoush A., Vehoff H. Electrochemical nanoindentation: A new approach to probe hydrogen/deformation interaction // Scripta Mater. 2006. V. 55. P. 195-198.

21. Barnoush A., Asgari M., Johnsen R. Resolving the hydrogen effect on dislocation nucleation and mobility by electrochemical nanoindentation // Scripta Mater. 2012. V. 66. P. 414-417.

22. Nagumo M. Hydrogen related failure of steels - a new aspect // Mater. Sci. Tech. 2004. V. 20. P. 940-950.

23. McLellen R.B., Xu Z.R. Hydrogen-induced vacancies in the iron lattice // Scripta Mater. 1997. V 36. P. 1201-1205.

24. Cuitino A.M., Ortiz M., Ductile fracture by vacancy condensation in F.C.C. single crystals // Acta Mater. 1996. V. 44. P. 427-436.

25. Кулабухова А.А. Исследование процессов абсорбции и диффузии водорода в ГЦК металлах методом молекулярной динамики: дис. … канд. физ.-мат. наук: 01.04.07. Барнаул, 2014. 152 с.

26. Нагорных И.Л. Железо и водород. Исследования методами компьютерного эксперимента. Saarbruken, Deutchland: LAMBERT Academic Publishing, 2012. 130 c.

27. Нагорных И.Л., Бесогонов В.В., Бурнышев И.Н. О выборе потенциалов межатомного взаимодействия для системы Fe-H в приближении метода погруженного атома // Вестник ИжГТУ. 2011. № 1. С. 114-117.

28. Нагорных И.Л., Бурнышев И.Н. Численное моделирование влияния водорода на поведение кристаллов Al, Fe, Ni и Pd при растяжении // Химическая физика и мезоскопия. 2013. Т. 14. № 4. С. 604-608.

29. Технология конструкционных и эксплуатационных материалов: учебник / А.Е. Гвоздев, Н.Е. Стариков, В.И. Золотухин, Н.Н. Сергеев, А.Н. Сергеев, А.Д. Бреки; под ред. А.Е. Гвоздева. Тула: Изд-во ТулГУ, 2016. 351 с.

30. Организация и планирование деятельности предприятий сервиса: учебное пособие / Ю.С. Дорохин, А.Н. Сергеев, К.С. Дорохина, Н.Н. Сергеев, А.Е. Гвоздев, П.Н. Медведев, А.В. Сергеева, Д.В. Малий. Тула: Изд-во ТулГУ, 2016. 380 с.

31. Триботехнические свойства композиционных покрытий с полиимидными матрицами и наполнителями из наночастиц дихалькогенидов вольфрама для узлов трения машин: монография / А.Д. Бреки, В.В. Кудрявцев, А.Л. Диденко, Е.С. Васильева, О.В. Толочко, Н.Н. Сергеев, Н.Е. Стариков, А.Е. Гвоздев; под ред. А.Д. Бреки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2015. 128с.

32. Эксплуатация, техническое обслуживание и ремонт автомобиля: учебное пособие / Н.Н. Сергеев, А.Е. Гвоздев, А.Н. Сергеев, К.Г. Мирза, Ю.С. Дорохин, Д.М. Хонелидзе. Тула: Изд-во ТулГУ, 2015. 160 с.

33. Основы технологической подготовки: учеб. пособие / Н.Н. Сергеев, А.Н. Сергеев, А.Е. Гвоздев, А.Г. Колмаков, А.Д. Бреки, Д.А. Провоторов, В.И. Золотухин, Н.Е. Стариков, П.Н. Медведев, Д.В. Малий, Ю.С. Дорохин, Д.Н. Боголюбова, А.А. Калинин, О.В. Кузовлева, К.Н. Старикова, С.Н. Кутепов, Д.М. Хонелидзе, В.В. Новикова; под ред. проф. А.Е. Гвоздева. Изд. 2-е испр. и доп. Тула: Изд-во ТулГУ, 2015. 187 с.

34. Материаловедение: учебник для вузов / Ф.К. Малыгин, Н.Е. Стариков, В.М. Павлов, А.Е. Гвоздев, И.В. Тихонова. Тула: Изд-во ТулГУ, 2014. 232 с.

35. Триботехнические характеристики жидких смазочных и полиимидных композиционных материалов, содержащих антифрикционные наночастицы дихалькогенидов вольфрама: монография / А.Д. Бреки, Е.С. Васильева, О.В. Толочко, Н.Е. Стариков, Н.Н. Сергеев, Д.А. Провоторов, А.Н. Сергеев, А.Е.Гвоздев; под ред. А.Д. Бреки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2015. 276 с.

36. Многопараметрическая оптимизация параметров лазерной резки стальных листов / А.Е. Гвоздев, И.В. Голышев, И.В. Минаев, А.Н. Сергеев, Н.Н. Сергеев, И.В. Тихонова, Д.М. Хонелидзе, А.Г. Кол-маков // Материаловедение. 2015. № 2. С. 31-36.

37. Синтез и триботехнические свойства композиционного покрытия с матрицей из полиимида (Р-ООО) ФТ и наполнителем из наночастиц дисульфида вольфрама при сухом трении скольжения / А.Д. Бреки, А.Л. Диденко, В.В. Кудрявцев, Е.С. Васильева, О.В.Толочко, А.Г. Кол-маков, А.Е. Гвоздев, Д.А. Провоторов, Н.Е. Стариков, Ю.А. Фадин // Материаловедение. 2016. № 4. С. 44-48.

38. Постановка задачи расчета деформационной повреждаемости металлов и сплавов / А.Е. Гвоздев, Г.М. Журавлев, Н.Н. Сергеев, В.И. Золотухин, Д.А. Провоторов // Производство проката. 2015. №10. С. 18-26.

39. Триботехнические свойства композиционных покрытий на основе полигетероарилена «Р-ОДФО» с наполнителем из наночастиц диселенида вольфрама / А.Д. Бреки, Ю.А. Фадин, А.Л. Диденко, В.В. Кудрявцев, О.В. Толочко, Е.С. Васильева, А.Е. Гвоздев, Н.Е. Стариков, Д.А. Провоторов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. № 11-1. С. 133-139.

40. Триботехнические свойства композиционных покрытий на основе полигетероарилена «ДАИ» с наполнителем из наночастиц дихалькогенидов вольфрама / А.Д. Бреки, Ю.А. Фадин, А.Л. Диденко, В.В. Кудрявцев, О.В. Толочко, Е.С. Васильева, А.Е. Гвоздев, Н.Е. Стариков, Д.А. Провоторов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. № 8-2. С. 148-155.

41. Триботехнические свойства композиционных покрытий на основе полигетероарилена «Р-ОООД» с наполнителем из наночастиц диселенида вольфрама / А.Д. Бреки, Ю.А. Фадин, А.Л.Диденко, В.В. Кудрявцев, О.В. Толочко, Е.С. Васильева, А.Е.Гвоздев, Н.Е.Стариков, Д.А. Провоторов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. № 8-2. С. 181-188.

42. Выбор дисперсности наполнителя из частиц дихалькогенидов вольфрама для создания смазочного композиционного материала / А.Д. Бреки, О.В. Толочко, Е.С. Васильева, А.Е. Гвоздев, Н.Е. Стариков, Д.А. Провоторов, А.А. Калинин // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. № 7-1. С. 235-243.

43. Оценка влияния размера частиц и концентрации порошков горных пород на противоизносные свойства жидких смазочных композиций / В.В. Медведева, М.А. Скотникова, А.Д.Бреки, Н.А. Крылов, Ю.А. Фадин, А.Н.Сергеев, Д.А. Провоторов, А.Е. Гвоздев, Н.Е. Стариков // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. № 11-1. С. 57-65.

44. Влияние смазочного композиционного материала с наночастицами дисульфида вольфрама на трение в подшипниках качения / А.Д. Бреки, В.В. Медведева, Ю.А. Фадин, О.В. Толочко, Е.С. Васильева, А.Н. Сергеев, Д.А. Провоторов, А.Е. Гвоздев, Н.Е. Стариков // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. № 11-1. С. 78-86.

45. Оценка взаимодействия между наночастицами дихалькогенидов вольфрама в среде жидкого смазочного материала / А.Д. Бреки, О.В. Толочко, Е.С. Васильева, А.Е. Гвоздев, Д.А. Провоторов, Н.Е. Стариков // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. № 7-2. С. 8-14.

46. Оценка влияния жидкого смазочного композиционного материала с наночастицами геомодификатора на трение в подшипниковом узле / А.Д. Бреки, О.В. Толочко, Н.Е. Стариков, Д.А. Провоторов, Н.Н. Сергеев, Е.В. Агеев, А.Е. Гвоздев // Известия Юго-Западного государственного университета: Серия Техника и технологии. 2015. №3(16). С.17-23.

47. Комплексный подход к исследованию экстремальных эффектов в металлических, композиционных и нанокристаллических материалах: монография / А.Е. Гвоздев, Н.Н. Сергеев, А.Н. Сергеев, Д.А. Провоторов, В.И. Золотухин, А.Д. Бре-ки, П.Н. Медведев, М.Н. Гаврилин, Г.М. Журавлев, Д.В. Малий, Ю.С. Дорохин, Д.Н. Боголюбова, А.А. Калинин, Д.Н. Ро-маненко, И.В. Минаев, О.В. Кузовлева, Н.Е. Проскуряков, А.С. Пустовгар, Ю.Е. Ти-това, И.В. Тихонова; под ред. А.Е. Гвоздева. Тула: Изд-во ТулГУ, 2014. 128 с.

48. Триботехнические свойства жидких смазочных композиционных материалов, содержащих полученные методом газофазного синтеза высокодисперсные дисульфид и диселенид вольфрама: монография / А.Д. Бреки, Е.С. Васильева, О.В. Толочко, Н.Н. Сергеев, А.Е. Гвоздев, Н.Е. Стариков; под. ред. А.Д. Бреки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2014. 152с.

49. Жидкие смазочные композиционные материалы, содержащие высокодисперсные наполнители, для подшипниковых узлов управляемых систем: монография / А.Д. Бреки, Е.С. Васильева, О.В. Толочко, Н.Н. Сергеев, А.Е. Гвоздев, Н.Е. Стариков. Тула: Изд-во ТулГУ, 2014. 144с.

50. Механические свойства конструкционных и инструментальных сталей в состоянии предпревращения при термомеханическом воздействии / А.Е. Гвоздев, А.Г. Колмаков, О.В. Кузовлева, Н.Н. Сергеев, И.В. Тихонова // Деформация и разрушение материалов. 2013. № 11. С. 39-43.

51. Гвоздев А.Е. Производство заготовок быстрорежущего инструмента в условиях сверхпластичности. М.: Машиностроение, 1992. 176 с.

52. Исследование противоизносных свойств пластичного смазочного композиционного материала, содержащего дисперсные частицы слоистого модификатора трения / В.В. Медведева, А.Д. Бреки, Н.А. Крылов, М.А. Скотникова, Ю.А. Фадин, С.Е. Александров, А.Е. Гвоздев, Н.Е. Стариков, Д.А. Провоторов, А.Н. Сер-геев, Е.В. Агеев // Известия Юго-Западного государственного университета. 2016. № 1 (64). С. 75-82.

53. Триботехнические свойства пластичных смазочных композиционных материалов с наполнителями из дисперсных частиц меди и цинка / В.В. Медведева, А.Д. Бреки, Н.А. Крылов, С.Е. Александров, А.Е. Гвоздев, Н.Е. Стариков, Н.Н. Сергеев, Е.В. Агеев, А.Н. Сергеев, Д.В. Малий, Д.А. Провоторов // Известия Юго-Западного государственного университета. 2016. № 2 (65). С. 109-119.

54. Триботехнические характеристики композиционных покрытий с матрицей из полигетероарилена ПМ-ДАДФЭ и наполнителями из наночастиц дихалькогенидов вольфрама при трении скольжения в среде жидкого смазочного материала / А.Д. Бреки, А.Л. Диденко, В.В. Кудрявцев, Е.С. Васильева, О.В. Толочко, А.Г. Колмаков, Ю.А. Фадин, Н.Е. Стариков, А.Е. Гвоздев, Н.Н. Сергеев, Е.В. Агеев, Д.А. Провоторов // Известия Юго-Западного государственного университета. 2016. № 3 (66). С. 17-28.

55. Антифрикционные свойства композиционных материалов на основе алюминия, упрочнённых углеродными нановолокнами, при трении по стали 12Х / А.Д. Бреки, Т.С. Кольцова, А.Н. Скворцова, О.В. Толочко, С.Е. Александров, А.А. Лисенков, Д.А.Провоторов, Н.Н. Сергеев, Д.В. Малий, А.Н. Сергеев, Е.В. Агеев, А.Е. Гвоздев // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2016. № 4 (21). С. 11-23.

56. Lynch S. P. Mechanisms and Kinetics of Environmentally Assisted Cracking: Current Status, Issues, and Suggestions for Further Work // Metall. and Mat. Trans. A - 2013. V. 44A. P. 1209-1229.

57. Lynch S. P. Hydrogen embrittlement phenomena and mechanisms // Corrosion Reviews. 30. 2012. P. 105-123.