izvestswsuИзвестия Юго-Западного государственного университетаProceedings of the Southwest State University2223-15602686-6757ЮЗГУ10.21869/2223-1560-2017-21-6-85-95izvestswsu-269Research ArticleТехнические наукиДИФФУЗИЯ ВОДОРОДА В СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙDIFFUSION OF HYDROGEN IN WELDED JOINTS OF STRUCTURAL STEELSСергеевН. Н.SergeevN. N.technology@tspu.tula.ruСергеевА. Н.SergeevA. N.ansergueev@mail.ruКутеповС. Н.KutepovS. N.kutepov.sergei@mail.ruГвоздевА. Е.GvozdevA. E.gwozdew.alexandr2013@yandex.ruАгеевЕ. В.AgeevE. V.ageev_ev@mail.ruФГБОУ ВПО «ТГПУ им. Л.Н Толстого»Tula State Lev Tolstoy Pedagogical UniversityФГБОУ ВО «Юго-Западный государственный университет»Southwest State University2017281220172168595Copyright © Сергеев Н.Н., Сергеев А.Н., Кутепов С.Н., Гвоздев А.Е., Агеев Е.В., 20172017Сергеев Н.Н., Сергеев А.Н., Кутепов С.Н., Гвоздев А.Е., Агеев Е.В.Sergeev N.N., Sergeev A.N., Kutepov S.N., Gvozdev A.E., Ageev E.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://izvestswsu.elpub.ru/jour/article/view/269

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.

High-strength low-alloy steels are widely used in the construction of welded metal structures. The main advantage of these steels is good combination of strength and toughness, and weldability. However, when welding high strength low alloy steels during cooling of the weld to a temperature below 150-100 °C there may be a risk of formation of bulk crystal structures defects in the weld zone - cold cracks. It was experimentally established that one of the factors contributing to the formation of cold cracks may be the occlusion of hydrogen in the atmosphere of arc plasma in the solidifying weld metal, from which diffusion hydrogen may diffuse to different areas of the weld after cooling. Hydrogen cracking typically has a tendency to slow down i.e. cracks can occur several days after the completion of welding process. As a rule, hydrogen induced cracking occurs either in the original steel in the heat-affected zone or in the weld metal, which is important, topical and long been researched by various scientific schools. Modern technologies of high strength low alloy steels processing have significantly improved the quality of the base material by reducing the amount of carbon and impurities, which has increased the stability of weld in the heat affected zone (HAZ) to hydrogen induced cold cracking. The paper presents modern approaches to the definition of diffusion coefficient of hydrogen in welded joints of high-strength low-alloy steels. Taking into account the temperature, the gradient of chemical potential and continuity conditions there has been considered the process of mass transfer of hydrogen under the influence of diffuse inhomogeneous mediums. It has been shown that the local effects of changing pressure and chemical potential are described using the equation of generalized potential of the diffusing substance. Our paper presents analytical expressions to determine the apparent diffusion coefficient of hydrogen in different local areas of a welded joint depending on temperature.

диффузиякоэффициент диффузиидиффузионный водородметалл сварного швазона термического влияниясварные соединенияdiffusiondiffusion coefficientdiffusion hydrogenweld metalheat-affected zonewelded jointsReferencesOkuda 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.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.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.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.Suzuki H., Yurioka N. Prevention against cold cracking in welding steels. Australian Welding Journal, 1982, vol. 27, pp. 9-27.Suzuki H., Yurioka N. Prevention against cold cracking in welding steels. Australian Welding Journal, 1982, vol. 27, pp. 9-27.Karppi R. A. Stress Field Parameter for Weld Hydrogen Cracking. Technical Research Centre of Finland Publications. 1982, no. 9, 119 p.Karppi R. A. Stress Field Parameter for Weld Hydrogen Cracking. Technical Research Centre of Finland Publications. 1982, no. 9, 119 p.Graville B.A. A survey review of weld metal hydrogen cracking. Welding in the World, 1986, vol. 24, no. 9/10, pp. 190-199.Graville B.A. A survey review of weld metal hydrogen cracking. Welding in the World, 1986, vol. 24, no. 9/10, pp. 190-199.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.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.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.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.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.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.Yurioka N. Diffusion and accumulation of hydrogen in multiple-pass welds. Special Visitors Lectures. Nippon Steel Corporation, Chiba, Japan, 1999.Yurioka N. Diffusion and accumulation of hydrogen in multiple-pass welds. Special Visitors Lectures. Nippon Steel Corporation, Chiba, Japan, 1999.Porter D.A., Easterling K.E. Phase Transformations in Metals and Alloys. Chapman & Hall, London, U.K., 1992. 514 p.Porter D.A., Easterling K.E. Phase Transformations in Metals and Alloys. Chapman & Hall, London, U.K., 1992. 514 p.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.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.Махненко В.И. Ресурс безопасной эксплуатации сварных соединений и узлов современных конструкций. Киев: Наук. думка, 2006. 618 с.Махненко В.И. Ресурс безопасной эксплуатации сварных соединений и узлов современных конструкций. Киев: Наук. думка, 2006. 618 с.Гавронойский А.А. Влияние диффузионного водорода на сопротивляемость замедленному разрушению сварных соединений высокоуглеродистой стали // Автомат. сварка. 2013. № 5. С. 15-21.Гавронойский А.А. Влияние диффузионного водорода на сопротивляемость замедленному разрушению сварных соединений высокоуглеродистой стали // Автомат. сварка. 2013. № 5. С. 15-21.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.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.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.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.Шаповалов В.И. Легирование водородом. Днепропетровск: Журфонд, 2013. 385 с.Шаповалов В.И. Легирование водородом. Днепропетровск: Журфонд, 2013. 385 с.Шоршоров М.Х. Металловедение сварки стали и сплавов титана. М.: Наука, 1965. 336 с.Шоршоров М.Х. Металловедение сварки стали и сплавов титана. М.: Наука, 1965. 336 с.Чернышева Т.А. Границы зерен в металле сварных соединений. М.: Наука, 1986. 125 с.Чернышева Т.А. Границы зерен в металле сварных соединений. М.: Наука, 1986. 125 с.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.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.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.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.Oriani R.A. The diffusion and trapping of hydrogen in steel. Acta Metall, 1970, vol. 18, pp. 147-157.Oriani R.A. The diffusion and trapping of hydrogen in steel. Acta Metall, 1970, vol. 18, pp. 147-157.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.