Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Общей задачей, которая стоит перед участниками проекта в 2021-22 годах, является исследование возможных причин и последствий скин-эффекта, открытого в рамках предыдущих этапов проекта. Скин-эффект проявляется при взаимодействии агрессивных сред с металлами и существенно влияет на транспорт водорода из агрессивной среды по крайней мере в течение первых нескольких сотен часов взаимодействия. Эффект заключается в том, что в течение первых десяти часов происходит формирование очень большой концентрации водорода в тонком (порядка 100 мкм) поверхностном слое металла, этот насыщенный водородом слой блокирует дальнейшую диффузию водорода внутрь металла, как минимум, на сотни часов. С практической, инженерной точки зрения имеется два основных возможных последствия скин-эффекта: • Возникает объективная причина для несоответствия результатов тестирования металлов на коррозионную стойкость и индуцированное водородом растрескивание реальным результатам использования металлических изделий, в том числе в газотранспортной системе. • Первые несколько сотен часов эксплуатации оборудования в коррозионных средах приобретают принципиальное значение для всего дальнейшего срока эксплуатации металлопродукции. Одной из наиболее обсуждаемых в энергетике тем является транспортировка газообразного водорода по стальным трубопроводам, как в чистом виде, так и в виде газовых смесей. Сделанный нами анализ опубликованных экспериментальных данных о деформации сталей в газообразном водороде в сравнении с деформацией в газо-водородных смесях и в чистом азоте, метане, аргоне, позволил расширить область практического применения результатов проекта. Экспериментальные данные показывают, что наличие даже небольших однопроцентных концентраций газообразного водорода при растяжении образцов приводит к появлению на боковой поверхности образцов квазисколов глубиной порядка одного миллиметра и к многократному снижению усталостной прочности и трещиностойкости. Интерпретацию этих данных удалось получить при моделировании последствий скин-эффекта. Проведено экспериментальное исследование влияния микроструктурных изменений, возникающих в стальных образцах при ультразвуковой обработке поверхности, на формирование скин-эффекта. Показано, что предварительная ультразвуковая обработка поверхности металла не приводит к заметным изменениям в пространственном распределении водорода при насыщении исследуемых образцов. Исследованы стальные и титановые образцы после двухкратного насыщения и вакуумной дегазации. Экспериментальные данные показывают, что скин-эффект носит обратимый характер, при этом накопление водорода в сталях идет в диффузно-подвижной фазе. В титановых сплавах, напротив, происходит накопление водорода в связанном состоянии. Для описания скин-эффекта при наводороживании решена связанная задача диффузии и определения напряженно-деформированного состояния металлического образца. Учет структурных особенностей материала в рамках микрополярной теории сплошных сред позволил описать возникновение приповерхностной области, напряженно-деформированное состояние которой существенно отличается от напряженно-деформированного состояния основного объема материала. Наличие специфичной приповерхностной области, в свою очередь, привело к существенно неравномерному распределению водорода. При этом было показано, что инициированное водородом дилатационное расширение материала приводит к перераспределению напряжений в материале, но не оказывает принципиального влияния на результат. Решена связанная задача диффузии и определения напряженно-деформированного состояния металлического образца в рамках классической теории сплошных сред. В этом случае учет стоковых членов в уравнении диффузии позволил описать возникновение приповерхностного слоя, в котором концентрация водорода значительно превышает концентрацию водорода внутри металла. Этот приповерхностный слой практически не изменяется со временем. Получено конечно-элементное решение задачи об индуцированном водородом разрушении корсетного образца с помощью модели индуцированной водородом декогезии HEDE. Проанализировано влияние начального распределения водорода в образце на результаты решения задачи. Установлено, что учет экспериментально наблюдаемого скин-эффекта зарядки металлических образцов водородом приводит к двойственному механизму разрушения, при котором на изломе образца наблюдаются только отдельные площадки водородной хрупкости.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Целью работ являлось исследованию и описание обнаруженного ранее скин-эффекта насыщения образцов водородом. Этот поверхностный эффект заключается в том, что при стандартизованных технологиях насыщения металлических образцов водородом в растворах электролитов образуется слой толщиной от 20 до 100 мкм, в котором концентрация водорода примерно в сто раз выше, чем концентрация водорода внутри металлического образца. Огромные градиенты концентрации (или фронты концентраций) стабильно держаться в течении сотен часов практически не размываясь вглубь металла. Для описания поверхностного эффекта при насыщении водородом металлических образцов была решена связанная задача диффузии и определения напряженно-деформированного состояния металлического образца. Пластические эффекты рассматривались на начальном этапе пластического течения с учетом вызванного водородом уменьшения площадки текучести. Учет пластических эффектов в уравнении диффузии позволил получить дополнительный запирающий эффект, который способствует временной стабильности фронта концентрации водорода в поверхностном слое. Проведено качественное и количественное сравнение разработанных в рамках классической и микрополярной теорий моделей, позволяющих описать скин-эффект при насыщении металлических изделий водородом в агрессивной среде. Показано, что независимо от способа учета влияния напряженно-деформированного состояния вмещающей среды на диффузию водорода наделение частиц среды вращательными степенями свободы и учет моментных взаимодействий между ними позволяет описать существенное локальное увеличение концентрации в тонком приповерхностном слое порядка характерного размера зерна, что соответствует экспериментальным данным. При этом наличие взаимодействия зерен в тонком поверхностном слое, приводящее к появлению существенно неоднородного напряженно-деформированного состояния, в результате приводит к проявлению поверхностных эффектов различной природы – не только к неоднородному распределению водорода по глубине металла образца, но и к появлению зоны порядка характерного размера зерна, в которой может наблюдаться локализованная пластическая деформация. Реализовано моделирование процесса диффузии в среде с поврежденностями различных типов. Получены оценки эффективных упругих и диффузионных свойств гетерогенного на микроуровне материала. Решены задачи диффузии с учетом влияния микроструктуры посредством введения в уравнения сплошной среды эффективных макроскопических характеристик. Получены характерные для водородного скин-эффекта неоднородные концентрационные профили в приповерхностных областях металлических образцов, искусственно насыщаемых водородом в агрессивных средах. Представлен комплексный подход к исследованию двойственного характера разрушения стальных образцов, насыщенных водородом, на основании модифицированной модели усиленной водородом декогезии (HEDE). Разработан конечно-элементный программный код и получено численное решение задачи о разрушении при одноосном растяжении цилиндрического корсетного стержня с эллиптическим вырезом и о разрушении при изгибе образца прямоугольного поперечного сечения с надрезом с одной стороны, выполненного из упруго-пластического металла. При моделировании был учтен скин-эффект насыщения металлов водородом. Проанализировано влияние начального распределения водорода в материале на результаты решения задачи, а также получены параметры распространения трещины. По результатам исследования установлено, что главным источником двойственного характера разрушения металлов является скин-эффект насыщения образцов водородом. Проведены испытания образцов стали X70 на водородопроницаемость в ячейке Деванатана-Стачурски. Определены параметры диффузии водорода в образцах в виде пластины толщиной 2 мм. После испытаний в электрохимической ячейке было проведено определение содержания водорода в испытанных и не испытанных образцах по методу вакуум-нагрева. Проведены определения массовой доли водорода в образцах сразу после испытаний в ячейке Деванатана-Стачурски, через 3 дня после испытаний в ячейке и через месяц. Во всех случаях в зоне контакте массовая доля водорода после насыщения в ячейке уменьшалась примерно в 2 раза по сравнению с исходными образцами не испытанными в ячейке и образцами металла, взятыми вдали от области контакта. При этом в области контакта наблюдается равномерное распределение водорода по объему материала. Коэффициенты диффузии, определенные в ячейке Деванатана-Стачурски были многократно меньше, чем коэффициенты определенные методом вакуум нагрева по образцам, насыщенным в ячейке и пересчитанные к комнатной температуре с использованием энергий активации диффузии. Полученные несоответствия в стандартизованных методах определения параметров взаимодействия водорода с металлами требую дальнейшего исследования Аналитическими методами было исследовано напряженное состояние вращающегося цилиндрического упругого тела, находящегося под действием двух сжимающих распределенных нагрузок. Было получено уравнение диффузии водорода во вращающемся упругом цилиндрическом теле в поле найденных упругих напряжений. Данная задача моделирует состояние вращающегося тела качения роликового подшипника в процессе его эксплуатации в водородосодержащей окружающей среде. Определение напряженного состояния тела проводилось на основе известных напряжений из контактной задачи Герца о сжатии двух цилиндров, был использован аппарат теории функций комплексной переменной, а также применялись аппроксимирующие методы для получения приближенного аналитического выражения средних нормальных напряжений. С помощью метода конечных разностей было получено численное решение задачи диффузии водорода во вращающихся цилиндрических упругих телах, подверженных сжатию двумя распределенными силами. Был разработан программный код на языке программирования C++, реализующий полученную разностную схему. В результате работы программы были получены поля концентрации водорода в исследуемом цилиндрическом образце для различных граничных условий и при различных значениях параметров, входящих в полученное дифференциальное уравнение диффузии. При определенных параметрах был обнаружен эффект локализации концентрации водорода вблизи всей внешней границы цилиндра – скин-эффект. Было установлено, что при уменьшении параметра, характеризующего скорость вращения образца, эффект локализации ослабевает. В процессе выполнения проекта были созданы и обновлялись следующие ресурсы в сети интернет: https://www.researchgate.net/project/Saturation-of-solids-with-hydrogen-in-an-aggressive-environment https://www.researchgate.net/project/The-influence-of-deformations-in-high-strength-structural-materials-on-the-hydrogen-transport