Ученые ИПМаш РАН открыли поверхностный эффект накопления водорода в металлах
Ученые Института проблем машиноведения (ИПМаш) РАН открыли и исследовали «водородный скин-эффект», при котором в металлах, используемых на транспорте, в промышленности, в энергетике и в строительстве, накапливается водород. Накопление водорода снижает прочность конструкций и угрожает появлением аварийных ситуаций. Открытый эффект ставит под вопрос существующие промышленные нормативы.
Водород ассоциируется у нас с чем-то экологически чистым и эффективным. Однако, для металлургии это не совсем так. Специалисты на протяжении последних 100 лет стремятся удалять водород из металлов для их наибольшей прочности, пластичности и долговечности. Они борются с так называемым «растворенным» водородом. В 80-е годы прошлого века «проблему водорода» в металлургии решили за счет разработки новых сплавов и внедрения различных технологий удаления водорода из металлов. Решение проблемы казалось окончательным, поэтому контроль за водородом в металлах ослаб во всем Мире.
В нашей стране в 2002 году стали необязательными соответствующие ГОСТы, которые были разработаны по всем группам сплавов, и полностью прекращен входной контроль в готовой металлопродукции. Такое положение дел уже вызывает проблемы при производстве металлопродукции, а может быть и аварийно опасным, особенно при использовании чистого водорода в стремительно развивающейся водородной энергетике. Технологии водородного контроля сейчас находятся в точке пересечения многих современных технологий, начиная от производства сверх прочных сплавов, аддитивных технологий и заканчивая водородной энергетикой.
Ученые ИПМаш РАН исследуют данную проблему уже более 20 лет, создавая методы водородной диагностики, которые позволят избежать техногенных катастроф, вызванных водородной деградацией металлов и сплавов. Сотрудники института принимали непосредственное участие в разработке отечественного промышленного анализатора водорода, который сейчас производится серийно и отечественной системы государственных эталонов содержания водорода.
«Нами открыт и исследован новый эффект, возникающий при насыщении металлов водородом в агрессивной среде. Это так называемый «водородный скин-эффект». Он заключается в том, что длительное время водород накапливается только в тонком поверхностном слое металла и разрушает его. Только через примерно 1000 часов он начинает распространяться на глубину более 50 микрометров (1 микрометр составляет 0,001 мм). Наличие такого эффекта, с одной стороны, замедляет разрушение конструкций, с другой стороны, - ставит под вопрос результаты промышленных испытаний и многие научных достижения, которые были получены с использованием насыщения водородом в водных растворах электролитов», - прокомментировал руководитель исследования директор ИПМаш РАН Владимир Полянский. Эффект был открыт случайно. Оказалось, что очистка насыщенного водородом образца вручную с помощью шлифовальной бумаги существенно меняет среднюю концентрацию водорода в нем. Дальнейшие исследования были проведены с использованием микроскопов, послойного шлифования и протачивания на станках насыщенных водородом образцов. Обнаружено, что деградация тонкого поверхностного слоя металла существенно снижает усталостную прочность всей массивной металлической детали, но эта деградация отличается от эксплуатационной, возникающей при насыщении водородом в процессе длительной эксплуатации металлических изделий.
Данное открытие объясняет большой разброс данных по параметрам взаимодействия металлов с водородом. Оно требует пересмотра всей системы промышленных испытаний и объясняет тот факт, что современные металлы проходят испытания хорошо, а машины и конструкции из них растрескиваются и ломаются в агрессивной среде, к которой относится также и газообразный водород и смеси водорода с другими газами.