DIFFUSION OF HYDROGEN IN WELDED JOINTS OF STRUCTURAL STEELS

High-strength low-alloy steels are widely used in the construction of welded metal structures. The main advantage of these steels is good combination of strength and toughness, and weldability. However, when welding high strength low alloy steels during cooling of the weld to a temperature below 150-100 °C there may be a risk of formation of bulk crystal structures defects in the weld zone - cold cracks. It was experimentally established that one of the factors contributing to the formation of cold cracks may be the occlusion of hydrogen in the atmosphere of arc plasma in the solidifying weld metal, from which diffusion hydrogen may diffuse to different areas of the weld after cooling. Hydrogen cracking typically has a tendency to slow down i.e. cracks can occur several days after the completion of welding process. As a rule, hydrogen induced cracking occurs either in the original steel in the heat-affected zone or in the weld metal, which is important, topical and long been researched by various scientific schools. Modern technologies of high strength low alloy steels processing have significantly improved the quality of the base material by reducing the amount of carbon and impurities, which has increased the stability of weld in the heat affected zone (HAZ) to hydrogen induced cold cracking. The paper presents modern approaches to the definition of diffusion coefficient of hydrogen in welded joints of high-strength low-alloy steels. Taking into account the temperature, the gradient of chemical potential and continuity conditions there has been considered the process of mass transfer of hydrogen under the influence of diffuse inhomogeneous mediums. It has been shown that the local effects of changing pressure and chemical potential are described using the equation of generalized potential of the diffusing substance. Our paper presents analytical expressions to determine the apparent diffusion coefficient of hydrogen in different local areas of a welded joint depending on temperature.

диффузия, коэффициент диффузии, диффузионный водород, металл сварного шва, зона термического влияния, сварные соединения, diffusion, diffusion coefficient, diffusion hydrogen, weld metal, heat-affected zone, welded joints

1. Okuda N., Ogata Y., Nishikawa Y., Aoki T., Goto A., Abe T. Hydrogen-induced cracking susceptibility in high-strength weld metal. Welding Journal, 1987, vol. 66, pp. 141-146 s.

2. Yatake T., Yurioka N. Studies of delayed cracking in steel weldments (Report 3). Journal of the Japan Welding Society. 1981, vol. 50, no. 3, pp. 291-296.

3. Suzuki H., Yurioka N. Prevention against cold cracking in welding steels. Australian Welding Journal, 1982, vol. 27, pp. 9-27.

4. Karppi R. A. Stress Field Parameter for Weld Hydrogen Cracking. Technical Research Centre of Finland Publications. 1982, no. 9, 119 p.

5. Graville B.A. A survey review of weld metal hydrogen cracking. Welding in the World, 1986, vol. 24, no. 9/10, pp. 190-199.

6. An analysis of microstructure, strain and stress on the hydrogen accumulation in the weld heat-affected zone / Yurioka N., Ohshita S., Nakamura H., Asano K. IIW-Doc. IX-1161-80. Nippon Steel Corporation, The International Institute of Welding, Japan, 1980. 18 p.

7. Yurioka N. A review of numerical analyses on the hydrogen diffusion in welding of steel. IIW-Doc. IX-1553-89. Nippon Steel Corporation, The International Institute of Welding, Japan, July 1989. 15 p.

8. Yurioka N. Predictive methods for prevention and control of hydrogen assisted cold cracking. IIW-Doc. IX-1938-99. Nippon Steel Corporation, The International Institute of Welding, Japan, 1999. 16 p.

9. Yurioka N. Diffusion and accumulation of hydrogen in multiple-pass welds. Special Visitors Lectures. Nippon Steel Corporation, Chiba, Japan, 1999.

10. Porter D.A., Easterling K.E. Phase Transformations in Metals and Alloys. Chapman & Hall, London, U.K., 1992. 514 p.

11. Роль пиковых напряжений в образовании холодных трещин в сварных соединениях закаливающихся сталей / Ю.А. Стеренбоген, Д.В. Васильев, Э.Л. Демченко, Д.П. Новикова // Автомат. сварка. 2006. № 4. С. 11-20.

12. Махненко В.И. Ресурс безопасной эксплуатации сварных соединений и узлов современных конструкций. Киев: Наук. думка, 2006. 618 с.

13. Гавронойский А.А. Влияние диффузионного водорода на сопротивляемость замедленному разрушению сварных соединений высокоуглеродистой стали // Автомат. сварка. 2013. № 5. С. 15-21.

14. Yurioka N., Nakamura H. Investigation of the mass diffusion equation with activity as a variable. Journal of the Japan Welding Society, 1979, vol. 48, no. 9, pp. 726-730.

15. Sleptsov O.I., Mikhailov V.E., Smiyan O.D. Relationship between the delayed fracture process in-welds and kinetics of hidrogen reedistribution. Document MIS 1X-1557-89, 1989. 28 p.

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

17. Шоршоров М.Х. Металловедение сварки стали и сплавов титана. М.: Наука, 1965. 336 с.

18. Чернышева Т.А. Границы зерен в металле сварных соединений. М.: Наука, 1986. 125 с.

19. Сергеев Н. Н. Механические свойства и внутреннее трение высокопрочных сталей в коррозионных средах: автореф. дис.. д-ра. техн. наук: 01.04.07. Самара, 1996. 38 с.

20. Johnson E.W., Hill M.L. The diffusivity of hydrogen in alpha iron. Transactions of the Metallurgical Society of AIME, 1960, vol. 218, pp. 1104-1112.

21. Oriani R.A. The diffusion and trapping of hydrogen in steel. Acta Metall, 1970, vol. 18, pp. 147-157.

22. Процессы взаимной диффузии в сплавах: монография / И.Б. Боровский, К.П. Гуров, И.Д. Марчукова, Ю.Э. Угасте; под. ред. К.П. Гурова. М.:Наука, 1978. 359 с.

23. Взаимная диффузия в многофазных металлических системах / К.П. Гуров, Б.А. Карташкин, Ю.Э. Угасте; под ред. К.П. Гурова. М.: Наука, 1981. 350 с.

24. Технология металлов и сплавов: учебник / Н.Н. Сергеев, А.Е. Гвоздев, Н.Е. Стариков, В.И. Золотухин, А.Н. Сергеев, А.Д. Бреки, О.В. Кузовлева, Г.М. Журавлев, Д.А. Провоторов; под. ред. проф. Н.Н. Сергеева. Тула: Изд-во ТулГУ, 2017. 490 с.

25. Сопряженные поля в упругих, пластических, сыпучих средах и металлических труднодеформируемых системах: монография / Э.С. Макаров, В.Э. Ульченкова, А.Е. Гвоздев, Н.Н. Сергеев, А.Н. Сергеев; под ред. проф. А.Е. Гвоздева. Тула: Изд-во ТулГУ, 2016. 526 с.

26. Теория пластичности дилатирующих сред: монография / Э.С. Макаров, А.Е. Гвоздев, Г.М. Журавлев; под. ред. проф. А.Е. Гвоздева. 2-е изд. перераб. и доп. Тула: Изд-во ТулГУ, 2015. 337 с.

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

28. Влияние деформационной повреждаемости на формирование механических свойств малоуглеродистых сталей / Г.М. Журавлев, А.Е. Гвоздев, Н.Н. Сергеев, Д.А. Провоторов // Производство проката. 2015. № 12. С. 9-13.

29. Формирование механических свойств углеродистых сталей в процессах вытяжки с утонением / А.Е. Гвоздев, Г.М. Журавлев, А.Г. Колмаков // Технология металлов. 2015. № 11. С. 17-29.

30. Влияние разнозернистости аустенита на кинетику перлитного превращения в мало- и среднеуглеродистых низколегированных сталях / А.Е. Гвоздев, А.Г. Колмаков, Д.А. Провоторов, И.В. Минаев, Н.Н. Сергеев, И.В. Тихонова // Материаловедение. 2014. № 7. С. 23-26.

31. Особенности протекания процессов разупрочнения при горячей деформации алюминия, меди и их сплавов / А.Е. Гвоздев, А.Г. Колмаков, Д.Н. Боголюбова, Н.Н. Сергеев, И.В. Тихонова, Д.А. Провоторов // Материаловедение. 2014. № 6. С. 48-55.

32. Распределение температур и структура в зоне термического влияния для стальных листов после лазерной резки / А.Е. Гвоздев, Н.Н. Сергеев, И.В. Минаев, А.Г. Колмаков, И.В. Тихонова, А.Н. Сергеев, Д.А. Провоторов, Д.М. Хонелидзе, Д.В. Малий, И.В. Голышев // Материаловедение. 2016. № 9. С. 3-7.

33. 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.

34. 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.

35. Перспективные стали для кожухов доменных агрегатов / Н.Н. Сергеев, А.Е. Гвоздев, А.Н. Сергеев, И.В. Тихонова, С.Н. Кутепов, О.В. Кузовлева, Е. В. Агеев // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2017. Т. 7, № 2(23). С. 6-15.