Механические модели водородной хрупкости и индуцированного водородом разрушения

Водородная хрупкость является важнейшим феноменом для механики материалов.Водородные проблемы встречаются у самых различных материалов. Как правило, накопление растворенного водорода приводит к хрупкости, сильному снижению ударной вязкости, хладоломкости, но у целого ряда сплавов, наоборот, - возникает сверхпластическое состояние, что используется как полезный эффект на практике, например для снижения затрат на прессование сплавов титана. В любом случае, феномен водородной хрупкости и индуцированного водородом разрушения часто встречается на практике и имеет катастрофичесие последствия для энергетики, строительства, транспорта и нефтегазовой промышленности. Его описание и моделирование позволяют предсказывать индуцированное водородом разрушение и учитывать влияние водорода в расчетах прочности и надежности.Влияние растворенного в металлах водорода на механические свойства очень сильное. Оно начитается при уровне концентраций водорода один атом на сотни тысяч атомов матрицы металла. Возникает целый ряд задач о влиянии малого параметра, существенно различающихся для различных видов нагружения, например циклического или статического.Важной особенностью проблемы водородной хрупкости и индуцированного водородом разрушения является то, что по мере усовершенствования металлургических технологий и появления новых сплавов повышенной прочности, влияние водорода постоянно возрастает. Например, за последние сто лет верхний предел безопасных концентраций для сортовых сталей уменьшился примерно в 40 раз. Это является следствие постепенного приближения прочности сплавов к теоретическим пределам.Уменьшение уровня безопасных концентраций фактически связано с изменением ведущих механизмов взаимодействия водорода с металлами и измерением характера разрушения. Например, раньше водородный пузырь или трещина могли формироваться в стенках газопровода десятилетиями и достигать размеров в десятки сантиметров, а современные газопроводы часто разрушаются через несколько дней после ультразвуковой диагностики без предварительного формирования крупных дефектов.Практическая важность феномена с одной стороны и постоянно возрастающие требования к точности расчетов на прочность и надежность - с другой, - привели к появлению множества механических моделей водородной хрупкости.Можно выделить несколько основных подходов: учет влияния водорода на зарождение и движение дислокаций, учет влияния водорода на развитие трещин, учет внутреннего давления водорода в металле и «физические подходы», основанные на учете потенциальной энергии взаимодействия водорода с матрицей материала.В статье дается анализ публикаций по общепринятым в настоящее время моделям индуцированной водородом локализованной пластичности HELP, и индуцированной водородом декогезии HEDE, а также наиболее значимых результатов по молекулярной динамике и моделям многоконтинуальных сред.Современные экспериментальные исследования показали, что под действием внешних нагрузок водород меняет свою энергию связи, поэтому отдельное описание транспорта водорода внутри материала в отрыве от его напряженно-деформированного состояния является слишком грубым. Остается открытым вопрос, можно ли использовать искусственное насыщение водородом при проведении экспериментальных исследований и определении параметров моделей влияния водорода. С помощью этого метода получены практически все экспериментальные результаты, но современные проявления водородной хрупкости имеют сложную природу и наблюдаются в условиях, когда в среде, окружающей материал, нет больших концентраций водорода. При этом в сварных соединениях водородная хрупкость наблюдается в самом чистом виде, а в других случаях (например, при разрушении лопаток турбин) говорят об «индуцированном водородом разрушении». Как показывают экспериментальные данные, из-за ограниченной емкости ловушек водорода трудно ожидать, что его распределение по внутренним ловушкам не зависит от способа его поступления в металл.