Влияние водорода на свойства стали

Водород может оказывать на металл двоякое влияние: с одной стороны, он защищает его от насыщения кислородом и азотом, предупреждает окисление (связывая кислород), восстанавливает при известных условиях металл из оксидов, препятствует образо­ванию нитридов железа (см. рис. 9.5); с другой стороны, водород растворяется в металле и становится причиной появления сущест­венных дефектов в шве - пористости и трещин.

Металлы, растворяющие водород, делятся на две группы:

· металлы (Fe,Ni,A1, Со, Сu,Moи др.), не образующие хими­ческих соединений с водородом;

· металлы (Zr,Ti,V, Та,Thи др.), образующие твердые рас­творы и химические соединения с водородом (гидриды).

Атомарный водород растворяется как в твердом, так и в жидком железе. Как следует из рис. 9.6, б, растворимость водорода в желе­зе с повышением температуры растет и изменяется скачкообразно в моменты полиморфных превращений. При переходе железа из твердого состояния в жидкое наблюдается резкое возрастание рас­творимости водорода, достигающей максимального значения при температуре ≈ 2700 К. Таким образом, наиболее значительное на­сыщение металла водородом при сварке происходит в процессе формирования и переноса капель с электрода в сварочную ванну.

Степень насыщения жидкого металла водородом зависит от наличия в газовой среде элементов, способных связывать водород в химические соединения, не растворимые в жидком металле и тем самым снижающие его парциальное давление в газовой среде. Так, образование в газовой среде соединений ОН и HF, не растворимых в жидком металле, снижает насыщенность металла водородом.

Кроме того, весьма существенным является парциальное дав­ление водорода в газе, контактирующем с металлом. Об этом сви­детельствуют представленные на рис. 9.12 зависимости раствори­мости водорода в металле от температуры среды при разном его парциальном давлении (р_H2) в газовой среде.

Находясь в окисленном жидком металле, водород взаимодей­ствует с кислородом по реакциям:

(9.22)

(квадратными скобками обозначены газы, растворенные в метал­ле). Поэтому наличие в металле кислорода ограничивает концентрацию в нем водорода. На рис. 9.13 приведены данные о совмест­ном растворении водорода и кислорода в жидких металлах: желе­зе, меди и никеле. Как следует из рисунка, даже при незначитель­ной окисленности жидкого металла резко снижается содержание в нем водорода.

Насыщение водородом жидкого металла отрицательно сказы­вается на его свойствах. При достаточно быстром охлаждении ме­талла сварочной ванны не весь растворенный в ней водород успе­вает выделиться. Особенно много водорода задерживается при снижении температуры превращения γ - α. Оставшийся в металле атомарный водород задерживается в ветвях зарождающихся и рас­тущих дендритов, у поверхности кристаллов, у мест расположения посторонних включений, а также в микронесплошностях - скоп­лениях дислокаций и других дефектах кристаллического строения. »В этих местах атомы водорода соединяются в молекулы. Поэтому парциальное давление атомарного водорода в районе дефектов резко снижается, вследствие чего он продолжает диффундировать в том же направлении. Непрерывно образующийся молекулярный водород создает значительные давления, так как сам он не диф­фундирует через металл и практически не растворим в нем. Кроме того, водород может окисляться и образовывать водяной пар, ко­торый в металле не растворяется. В связи с тем что давление направлено во все стороны, в металле возникает объемное напря­женное состояние, приводящее к снижению его пластических свойств, а иногда - к хрупкому разрушению и закалочно-водородным трещинам.

Следовательно, хотя водород и не образует с металлом шва со­единений, отрицательно влияющих на прочность сталей, он уси­ливает вредное влияние макро- и микронесплошностей, спо­собствует резкому снижению пластических свойств и хрупкому разрушению закаленных сталей.

9.2.4 Влияние СО₂, СО и паров Н₂О на свойства стали

Оксиды углерода СО₂и СО в тех или иных количествах всегда есть в газовой среде. Степень диссоциации и окислительная спо­собность СО₂при температурах дугового разряда весьма значи­тельны (см. рис. 9.1). В отличие от СO₂окись углерода СО не дис­социирует в дуговом разряде. Кроме того, СО не растворяется в жидком металле и поэтому непосредственной опасности для него Не представляет. В то же время СО может создавать защитную атмосферу у поверхности жидкого металла, связывая кислород по реакции

Окись углерода может непосредственно образовываться и при сварке угольным электродом, создавая достаточную газовую за­щиту. Иную роль играет окись углерода, образующаяся в самом металле при взаимодействии углерода с кислородом или углерода с оксидами металлов. В этом отношении наиболее характерна ре­акция между углеродом и закисью железа:

(9.23)

Наблюдающееся кипение металла (выделение пузырей обра­зующейся окиси углерода) способствует удалению посторонних включений. Однако если в металле шва в момент его кристаллиза­ции нет нужных раскислителей (например, Si,Mn), способных подавить реакцию дальнейшего образования окиси углерода, то кипение металла сварочной ванны может продолжаться до окон­чания кристаллизации и привести к нежелательному снижению содержания углерода, а также к образованию пор в металле шва.

Пары воды диссоциируют в зоне столба дуги полностью на во­дород и кислород. Их влияние на свойства стали при сварке опи­сано в разд. 9.2.3 и 9.2.1.

Итак, состав газовой среды в зоне столба дуги и степень актив­ности ее компонентов при сварке плавлением позволяет сделать общий вывод о необходимости защиты жидкой фазы сварочной ванны (стали) от контакта с воздухом и тщательной металлургиче­ской обработки ее для получения качественного сварного соеди­нения.