Анотація до роботи:

Швачко В.І. Оборотна воднева крихкість ОЦК-сплавів заліза - конструкційних сталей. — Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.13 — фізика металів. — Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут», Харків, 2002.

Оборотна воднева крихкість (ОВК) ОЦК-сплавів заліза - конструкційних сталей - зумовлює серйозні технологічні труднощі, оскільки фізична природа цього специфічного і складного явища не з’ясована. У дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення цієї проблеми. Показано, що ОВК виникає за умови пластичної деформації, а роль дефектної структури металу в процесі водневого окрихчення є вирішальною. Водень транспортується рухомими дислокаціями до місця зародження мікротріщини. Ця зародкова тріщина може закритись, залишитись в стані пружної рівноваги, або необмежено поширюватись. Водень, що вивільняється з дислокацій, хемосорбується на ювенільних поверхнях мікротріщини і локалізує негативний заряд. Внаслідок цього зменшується величина нормального напруження, необхідного для переходу тріщини в стан автокаталітичного поширення. Ці ідеї, що обгрунтовані в дисертації, дають можливість послідовно пояснити всі закономірності ОВК і створюють наукову основу для подальшого вивчення цього явища і для розвитку методів запобігання йому при виробництві сталі; при зварюванні; при використанні хімічного обладнання, що зазнає наводнювання; при КРН та інших в процесах.

1. У дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення проблеми, що виявляється в оборотній водневій крихкості ОЦК-сплавів заліза — конструкційних сталей. Розкрита природа явища, розроблені його фізична і математична моделі. Показано, що ОВК виникає за умови пластичної деформації, а роль дефектної структури металу в процесі водневого окрихчення є вирішальною. Досягнуте розуміння фізичної природи ОВК створює наукову основу для розробки раціональних способів запобігання негативному впливові водню при виплавленні сталі, в різних процесах металообробки та при експлуатації стальних виробів.

2. Вперше експериментально доказана локалізація негативного заряду на атомах водню, адсорбованих ювенільною поверхнею заліза, що дало можливість визначити механізм дії водню на атомному рівні.

3. Вперше запропоновано нові кількісні критерії ступеня водневої крихкості, що базуються на уявленнях сучасної фізики металів: відносне зменшення під впливом водню мінімального напруження крихкого руйнування і коефіцієнт в’язкості як показник перевищення цим напруженням межі текучості. На відміну від традиційних критеріїв порівняння, нові критерії мають чіткий фізичний зміст, детерміновані структурою металу, а в розробленому способі їх визначення застосовується найпростіший вид механічних випробувань — одновісне розтягування стандартних гладких циліндричних зразків.

4. На основі розробленої фізичної моделі ОВК сформульована математична модель утворення водневих мікротріщин, що дало можливість застосувати обчислювальні методи для з’ясування особливостей ОВК, важкодоступних для експериментального дослідження.

5. Вперше закономірності ОВК знайшли експериментально обгрунтоване і послідовне пояснення, починаючи з атомного рівня і до утворення макротріщини. Це дає можливість виявляти ОВК — найбільш небезпечну дію водню — за різних умов практичного використання конструкційних сталей.

6. Розвинуто уявлення про механізм аномальної абсорбції водню металом, що взаємодіє з плазмою дугового розряду. Експериментальними і обчислювальними методами показано, що ефект зумовлюється дисоціацією молекул в об’ємі плазми, а не поглинанням прискорених заряджених часток. На цей висновок необхідно зважати при вдосконаленні способів запобігання абсорбції водню та інших газів при дуговому зварюванні конструкційних сталей.

7. Виявлено механізм утворення холодних тріщин в зварних з’єднаннях високоміцних низьколегованих сталей; показано, що ХТ — це прояв ОВК в специфічних умовах термічного циклу зварювання. Сформульовано рекомендації для вдосконалення технології зварювання цих перспективних для практики сталей.

8. Досліджено особливості утворення тріщин в зварних резервуарах для зберігання аміаку. Показано, що аміак є агресивним середовищем для стальної оболонки. Розклад молекул NH₃ на ювенільній поверхні зародкової тріщини сприяє поширенню тріщини за механізмом ОВК. Розроблено рекомендації для підвищення надійності резервуарів .

9. Розвинуто уявлення про роль водню як фактора ризику при експлуатації та ремонті хімічного обладнання, що наводнюється при підвищеній температурі. Показано, що утворення тріщин зумовлене аномальною залежністю ступеня водневої крихкості від температури металу. Запропоновано рекомендації для уникнення шкідливого впливу водню за цих умов.

10. Дістали подальший розвиток уявлення про роль водню при КРН. Доказано, що на ранніх стадіях розвитку цього процесу можливе руйнування підземного трубопроводу за механізмом ОВК без утворення макроскопічних корозійних пошкоджень — концентраторів напружень. Індикатором підвищеної небезпеки руйнування в цьому випадку може бути вміст дифузійно-рухомого водню в металі труби. Тому необхідна рання і постійна діагностика дифузійно-рухомого водню в діючих трубопроводах. Це дасть можливість уникати їх раптового руйнування, яке неможливо прогнозувати іншими методами контролю.

11. Запропоновано новий спосіб і пристрій для аналізу водню в металі стальних конструкцій без виготовлення зразків. Спосіб і пристрій придатний для оперативного контролю ступеня наводнювання металу хімічних апаратів і для моніторингу процесу КРН.

12. Доопрацьовано мас-спектральні методи в частині прямого дослідження на атомному рівні поведінки водню в сталях та інших твердих речовинах. Створені мас-спектральні методики і експериментальні установки можуть бути використані при розробці металургійних і технологічних способів запобігання водневій крихкості.

13. Результати досліджень за темою дисертації використовувались при створенні нових ефективних зварювальних матеріалів: електродів, порошкових дротів, флюсів.

Публікації автора:

1. О механизме влияния водорода на хрупкость металлов / И.К.Походня, В.И.Швачко, В.Н.Упырь, А.В.Шиян, С.А.Котречко // Докл. АН СССР. — 1989. — Т. 308, № 5. — С. 1131–1134.

2. Shvachko V.I. Studies using negative secondary ion mass-spectrometry: hydrogen on iron surface // Surface Sci. — 1998. — V. 411. — P. L882–L 887.

3. Shvachko V.I. Analysis and investigation of hydrogen in steels by the mass spectral method // Int. J. Mater. Sci. — 1999. — V. 34, № 4. — P. 544–558.

4. Shvachko V.I. Reversible hydrogen embrittlement of steels as a physical phenomenon // Int. J. Mater. Sci.-1999. — V.35, № 4. — P. 449–460.

5. Shvachko V.I. Cold cracking of structural steel weldments as reversible hydrogen embrittlement effect // Int. J. Hydrogen Energy. — 2000. — V. 25. — P. 473–480.

6. Shvachko V.I. Micromechanical aspects of reversible hydrogen embrittlement // Int.. J. Mater. Sci. — 2000. — № 4. — P. 513–518.

7. Швачко В.И. Водородная хрупкость ОЦК — сплавов железа // Вопросы атомной науки и техники. — 2000. — №5. — С. 79–86.

8. Pokhodnya I.K., Shvachko V.I. Effect of hydrogen on structure of steel welds // Int. J. Hydrogen Energy. — 1997. — Vol. 22, № 2/3. — P. 285–289.

9. Применение метода вторичной ионно-ионной эмиссии к изучению процессов, происходящих в начальной стадии нанесения титанового покрытия на молибден /А.Д.Абраменков, В.М.Ажажа, Я.М.Фогель, В.И.Швачко // Физика металлов и металловед. — 1970. — Т. 29, № 3. — С. 519–523.

10. Походня И.К., Швачко В.И. Масс-спектрометрия вторичных ионов и ее применение в области сварки // Автоматич. сварка. — 1987. — № 7. — С. 29–39.

11. Швачко В.И., Устинов В.Г. Вторичный электронный умножитель для масс-спектрометра МИ-1305//Приборы и техника эксперимента. — 1972. — №1. — С. 236–237.

12. Масс-спектрометрическое исследование газообразных фторидов, выделяющихся при дуговой сварке / И. К. Походня, В. И. Швачко, В.Г.Устинов, С.А.Супрун // Автоматич. сварка. — 1972. — № 6. — С. 10–12.

13. Походня И.К., Швачко В.И., Устинов В.Г. Исследование поглощения ионов Не⁺ низкой энергии малоуглеродистой сталью // Физика и химия обраб. матер. — 1974. — №2. — С. 56–60.

14. Новый метод определения диффузионного водорода в металле/ И.К.Походня, А.П.Пальцевич, В.И.Швачко, В.Г.Устинов // Автоматич. сварка. — 1974. — № 3. — С. 10–12.

15. Походня И.К., Устинов В.Г., Швачко В.И. Количественное определение растворенного азота и нитридов железа в системе железо – азот методом вторичной ионной эмиссии // Журнал аналитич. химии. — 1978. — Т. 33, № 12. — С. 2386–2391.

16. Походня И.К., Швачко В.И. Образование фтористого водорода в дуговом разряде //Автоматич. сварка. — 1981. — № 2. — С. 11–13.

17. О природе хрупкого разрушения конструкционных сталей и их сварных соединений на ударный изгиб / И.К.Походня, В.И.Швачко, А.В.Шиян, Ю.Я.Мешков, С.А.Котречко, Г.С.Меттус //Автоматич. сварка. — 1988. — № 5. — С. 1–4.

18. Особенности образования трещин в сварных резервуарах для хранения жидкого аммиака в процессе их эксплуатации/И.К.Походня, Б.Ф.Лебедев, В.И.Швачко, В.Я.Сосновский, С.М.Дудко, А.В.Шиян, С.А.Котречко // Автоматич. сварка. — 1988. — № 10. — С. 39–42.

19. Влияние газообразных фторидов на содержание водорода в швах при сварке высокопроизводительными электродами с покрытием осовного вида / И.К.Походня, Б.В.Юрлов, В.И.Швачко, И.Р.Явдощин // Автоматич. сварка. — 1990. — № 11. — С. 1–6.

20. Влияние фазовых превращений в сплавах железо-азот на вторичную ионно-ионную эмиссию / И.К.Походня, В.Г.Устинов, В.И.Швачко // Физика металлов и металловедение. — 1980. — Т. 49, №2. — С. 418–420.

21. Pokhodnya I.K., Shvachko V.I. Cold Cracks in Welded Joints of Structural Steels // Int. J. Mater. Sci. — 1997. — V.32, № 1. — P. 45–56.

22. Pokhodnya I.K., Shvachko V.I. Physical nature of hydrogen induced cold cracks in welded joints in structural steels // The Paton Weld. J. — 1997. — № 5. —P. 255–263.

23. Швачко В.І., Яцина Г.О. Рання діагностика водню в зварних трубопроводах // Проблеми корозії і протикорозійного захисту конструкційних матеріалів: В 2-х т. / Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2000. — Т. 2. — С. 673–675.

24. Pokhodnya I.K., Shvachko V.I. Hydrogen in welding processes //In book: Progress in Hydrogen Treatment of Materials/ Int. Association for Hydrogen Energy (Miami, USA). — Donetsk-Coral Gables, 2001. — P. 473–494.

25. Походня І.К., Швачко В.І. Природа водневої крихкості конструкційних сталей // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2001. — № 2. — С.87–96.

26. Pokhodnya I.K., Shvachko V.I. Effect of hydrogen on brittleness of structural steels and welds // Advances in fracture resistance in materials: Vol. 4. — New Delhi Co. Ltd., 1996. — P. 449–457.

27. Швачко В.И., Степанюк С.Н. Исследование водородного охрупчивания свариваемых высокопрочных низколегированных сталей // Механіка руйнування матеріалів і міцність конструкцій (вип. 2): В 3-х т. / Фізико-механічний інститут ім. Г.В.Карпенка. — Львiв, 1999. — Т. 1. — С. 343–346.

28. Pokhodnya I.K., Shvachko V.I., Utkin S.V. Calculating studies of hydrogen iduced cracking of structural steels //Environmental Degradation of Engineering Materials. — Gdansk: Sci. Soc., 1999. — Vol. 1. — P. 357–362.

29. Походня І.К., Швачко В.І., Уткін С.В. Вплив водню на рівновагу дислокаційної субмікротріщини в a-залізі // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2002. — № 1. — С. 1–8.

30. Швачко В.И. Модель водородного охрупчивания конструкционных сталей//Металлофизика и новейшие технологии. — 2001. — Т. 23, №11. — С. 1501–1506.

31. A new method for quantitative determination of sensitivity of steels to hydrogen embrittlement / I.K.Pokhodnya, I.V.Shvachko, S.A.Kotrechko, Yu.Ya.Meshkov // Int. J. Mater. Sci. — 1999. — V. 34, № 4. — P. 538–543.

32. Pokhodnya I.K., Shvachko I.V., Utkin S.V. Calculation of the behavior of hydrogen in arc discharge // The Paton Welding J. — 1998. — № 9. — P. 437–441.

33. Pokhodnya I.K., Shvachko V.I., Stepanyuk S.M. Experimental modeling of cold cracking of structural steels and welds // Environmental Degradation of Engineering Materials. — Gdansk: Sci. Soc., 1999. — Vol. 1. — P. 351–356.

34. Походня И.К., Швачко В.И., Устинов В.Г. Влияние температуры на поглощение ионов Не⁺ низкой энергии малоуглеродистой сталью // II Всесоюз. симпоз. по взаимод. атом. частиц с твердым телом (Москва, окт. 1972 г.): Сб. докл. — M., 1972. — С. 248–249.

35. Pokhodnya I.K., Shvachko V.I. Hydrogen inducing mechanism of cold cracks in structural steels welded joints// Welding science and technology: Proc. Int. Conf., Slovakia, 5–7 March 1996. — OTA, Kosice, 1996. — P. 232–233.

36. Определение влагосодержания в сварочных материалах методом масс-спектроскопии / И.К.Походня, В.И.Швачко, Е.Е.Федорина, В.Н.Упырь // Свароч. матер. для механизир. дуговой сварки сталей: Матер. Междунар. семин. (Никополь, октябрь 1990 г.): Киев, 1991. — С. 40–43.

37. Pokhodnya I.K., Shvachko V.I. Hydrogen behaviour in welded joints // Weld. and Joining Sci. and Technol.: The ASM Int. Europ. Conf., Madrid, Spain, March 1997: Madrid, 1997. — P. 87–97.

38. Pokhodnya I.K., Shvachko V.I., Stepanyuk S.M. The role of structural defects in hydrogen induced cold cracking of steel weldments // Proc. 12th Int. Conf.: “Fracture from defects” (Univ. Sheffield, UK,14-18 Sept. 1998). — Emas Publ., UK, 1998. — Vol. III. — P. 1241–1245.

39. Shvachko V.I., Stepanyuk S.M., Pokhodnya I.K. The evaluation methods of HLSA steels susceptibility to hydrogen embrittlement // HSLA Steels’ 2000 / The Forth Int. Conf. on HSLA Steels, Oct. 30–Nov. 2, 2000, Xi’an, China. — Beijing: Metallurg. Industry Press, 2000, 10. — P. 453–458.

40. Швачко В.И. Водородная хрупкость стальных изделий // Водородная обработка матер.: Тр. III Междунар. конф.:“ВОМ-2001, Донецк, май 2001г. - Донецк, 2001. — С. 290–292.

41. Походня И.К., Швачко В.И., Степанюк С.Н. Водородные ловушки в сварных швах // Водородная обработка матер.: Тр. III Междунар. конф.:“ВОМ-2001”, Донецк, май 2001 г. — Донецк, 2001. — С. 296–298.

42. Походня И.К., Швачко В.И., Яцына Г.А. Водород при эксплуатации и ремонте магистральных газопроводов // Водородная обработка материалов: Тр. III Междунар. конф.: “ВОМ-2001”, Донецк, май 2001г. — Донецк, 2001. — С. 322–324.

43. Походня И.К., Швачко В.И.,Устинов В.Г. Исследование поглощения ионов гелия в стали // Всесоюз. симпоз. по взаимод. атомных частиц с твердыми телами: Тез. докл. — Харьков, 1971. — С. 12.

44. Швачко В.И., Голякевич А.А., Бибиков А.С. Масс-спектральные исследования газовыделения при термических процессах в сварочных материалах // Тез. докл. VII Всесоюз. конф. по сварочным материалам (Одесса, 8–11 дек. 1987 г.). — К., 1987. — С. 53–54.

45. Походня И.К., Швачко В.И., Пальцевич А.П. Количественный анализ водорода в металлах и сплавах методом ВИМС // Вторичная ионная и ионно-фотонная эмиссия: Тез. докл. VI Всесоюз. семин., Харьков, 29–31 окт. 1991. — Харьков, 1991. — С. 171–172.

46. Pokhodnya I.K., Shvachko V.I. Effect of hydrogen on brittlenes of structural steels and welds // Fracture mechanics: Coll. abstr. VIII Int. Conf. Kiev, June, 1993: Lviv, 1993. — Pt. 2. — P. 585–586.

47. Походня И.К., Павлык В.А., Швачко В.И.Влияние термообработки и деформации на диффузию водорода и водородопроницаемость стали типа 10ХН3ДМ // Металлургия сварки и сварочные материалы: Сб. докл. Междунар. научн.-техн. конф. памяти проф. Г.Л.Петрова , С.-Пб., 1–2 июня 1993 г. — С.-Пб., 1993. — С. 158–160.

48. Походня И.К., Швачко В.И.,. Яцына Г.А. Ремонтная сварка наводороженных конструкций // Водородная обработка материалов: Сб. информ. Матер. II Междунар. конф.: “ВОМ-98”. Донецк, 2–4 июня 1998 г. — Донецк, 1998. — С. 181.

49. Швачко В.І. Механізм водневого окрихчення заліза і його сплавів// Науково-дослідні проекти українських вчених, виконані при спільній фінансовій підтримці Уряду України і Міжнародного Наукового Фонду: Резюме / Спільна комісія Уряду України та Міжнародного Наукового Фонду. — Київ, 1997. —С. 153–154.

50. Швачко В.И., Степанюк С.Н. Газоаналитическая установка для исследований по проблеме водорода в сварных соединениях конструкционных сталей // Сварка и родственные технологии — в XXI век, Киев, ноябрь 1998 г.: Тез. докл. / НАН Украины. Ин-т электросварки им. Е.О.Патона. — Киев, 1998. — С. 133–134.

51. Походня И.К., Швачко В.И. Проблема холодных трещин и управление водородом при дуговой сварке // Тез. докл. Междунар. симпоз. “Сварка и родств. технологии: проблемы, пути решения”. — Минск, май 1999 г.: Минск, 1999. — С. 53–55.

52. Pokhodnya I.K., Shvachko V.I. Study of hydrogen management: the science based design of extra-low hydrogen consumables // Doc. Int. Inst. Weld.-II-A-051-99.

53. Походня И.К., Швачко В.И., Степанюк С.Н. Микролегирование редкоземельными металлами при сварке ВПНЛ сталей //Тез. докл. III Междунар. конф. “Благородные и редкие металлы, 19–22 сентября 2000 г., Донецк: Донецк, 2000. — С. 436.

54. Швачко В.И., Степанюк С.Н. Особенности водородного растрескивания ВПНЛ сталей // Int. Sci. J. Alternative Energy and Ecology. — 2000. — V. 1. — P.115.

55. Походня И.К., Степанюк С.Н., Швачко В.И. Роль температуры при индуцированном водородом растрескивании конструкционных сталей и сварных соединений // Автоматич. сварка. — 2000. — №2. — С. 3–8.

56. Походня И.К., Швачко В.И. Воднева крихкість конструкційних сталей і зварних з’єднань // Матер. Міжнар. науково-техніч. симпоз.«Сучасні проблеми механіки матеріалів: фіз.-хімічні аспекти та діагностика властивостей», Львів, червень 2001: Львів, 2001. — С. 10–11.

57. Швачко В.И., Степанюк С. Н. Масс-спектральный анализ водорода в сварочных материалах // Матер. II Междунар. конф. «Дуговая сварка. Материалы и качество на рубеже ХХI века», Орел, 4-8 июня 2001: Киев, 2001. — С. 90–92.

58. Походня И.К., Швачко В.И. Масс-спектральный анализ в исследованиях металлургических процессов сварки//Сб. докладов VII Междунар. семинара «Чистые металлы». Харьков, 2001: ИПЦ «Контраст», 2001. — С. 142–146.

59. А. с.1793346 СССР, МКИ G01 n 25/14. Способ определения влаги в твердых веществах / И.К.Походня, В.И.Швачко,А.Е.Марченко, Е.Е.Федорина, В.Н.Упырь. — № 4784434/25; Заявл.17.01.90;Опубл. 07.02.93, Бюл. № 5.

60. А. с. 512663 СССР, МКИ G 01 n 27/62; B 01 d 59/44. Установка для масс-спектрометрического исследования диэлектрических образцов методом вторичной ионной эмиссии / И.К.Походня , В.И.Швачко, В.Г.Устинов.- № 1905733/ 26-25; Заявл. 10.04.73.

61. А. с. 1711260 СССР, МКИ H 01 j 49/26. Вторично-ионный масс-спектрометр / И.К.Походня, В.Т.Черепин, В.И.Швачко, И.Н. Дубинский, Э.И. Вайсберг, Б.Г.Голубовский. — № 4700615 / 21; Заявл. 05.06.89; Опубл. 07.02.92, Бюл. № 5.

62. А. с. 1711261 СССР, МКИ H 01 j 49/26; G 01 n 33/10. Способ масс-спектрального количественного определения водорода в твердых материалах / И.К.Походня, В.И.Швачко, В.Н.Упырь, А.П. Пальцевич, О.Д. Смиян, С.О.Антонов. — № 47009338 / 21; Заявл. 26.06.89; Опубл. 07.02.92, Бюл. № 5.

63. А. с. 1718299 СССР, МКИ H 01 j 49/08. Высокотемпературная ячейка / И.К.Походня, В.И.Швачко, Э.И.Вайсберг, Б.Г.Голубовский.-№4713947/21; Заявл. 05.06.89; Опубл. 07.03.92, Бюл. № 9.

64. [Пат.] Заявка № 5040067, МКИ G 01 n 17/00. Способ количественного определения степени водородного охрупчивания конструкционных сталей и сварных швов/И.К.Походня, Ю.Я.Мешков, В.И.Швачко, С.А. Котречко, А.В.Шиян, В.Н.Упырь. — Заявл. 01.07.91. — Положит. решение пат. ведом. России от 28.09.92.