ДИФФУЗИЯ ВОДОРОДА В СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ

Высокопрочные низколегированные стали очень широко используются в строительных сварных металлоконструкциях. Основным преимуществом указанных сталей является хорошее сочетание прочно-сти и ударной вязкости, а также их свариваемость. Однако при сварке высокопрочных низколегиро-ванных сталей, в процессе охлаждения сварного шва до температуры ниже 150-100 °С может существовать риск возникновения в зоне сварного соединения объемных дефектов кристаллического строения - холодных трещин. Экспериментально установлено, что одним из факторов, способствующих образованию таких холод-ных трещин, может быть окклюзия водорода, в атмосфере плазмы дуги в затвердевающем металле сварного шва, из которого диффузионный водород может диффундировать в различные области сварного шва, после охлаждения. Водородное растрескивание обычно имеет замедленный характер, т.е. трещины могут возникнуть через несколько дней после завершения процесса сварки. Как правило, водородное растрескивание происходит либо в исходной стали в околошовной зоне, либо в металле сварного шва, что важно, актуально и давно исследуется различными научными школами. Современные технологии обработки высокопрочных низколегированных сталей значительно улучшили качество основного материала путем снижения количества углерода и примесей, что повысило устойчивость сварного шва в зоне термического влияния (ЗТВ) к индуцированному водородом холодному растрескиванию. В статье представлены современные подходы к определению коэффициента диффузии водорода в сварных соединениях высокопрочных низколегированных сталей. С учетом температуры, градиента химического потенциала и условий непрерывности рассмотрен процесс массопереноса водорода под влиянием диффузионно-неоднородных сред. Показано, что локальные эффекты изменения давления и химического потенциала возможно описать, используя уравнение обобщенного потенциала диффундирую-щего вещества. Представлены аналитические выражения для определения кажущегося коэффициента диффузии водорода на различных локальных участках сварного соединения в зависимости от температуры.

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.