Разрушение углеродистых и низколегированных сталей происходит в основном по механизму водородного охрупчивания. Механизм растрескивания высоколегированных сталей и сплавов в сероводородных средах более сложен. Помимо водородного охрупчивания в процессе растрескивания высоколегированных сталей и сплавов большую роль играет механизм локального анодного растворения. На разрушение этих материалов большое воздействие оказывают такие компоненты среды, как хлор-ионы, которые влияют на активно пассивное состояние металла.
Поглощение сталью водорода не ограничивается его растворением. Протоны, существующие в стали в форме твердого раствора, образуют так называемый легкоподвижный (диффузионный водород).
Атомарный водород рекомбинируется в ловушках с образованием молекулярного (малоподвижного) водорода. Роль ловушек могут играть границы раздела фаз, неметаллические включения, дислокации, микротрещины и другие дефекты кристаллической решетки, трещины, поры, раковины и другие дефекты металла.
Водородное охрупчивание сталей вызывает ряд явлений:
- образование в наводороженном металле микротрещин и пузырей и связанное с этим необратимое ухудшение прочностных и пластических свойств (необратимая водородная хрупкость);
- замедленное растрескивание (или статическая усталость) напряженного металла под воздействием водорода, в частности в условиях коррозии под напряжением высокопрочных конструкционных сталей, для растрескивания которых при постоянной нагрузке достаточно небольшого содержания водорода;
- обратимая водородная хрупкость, вызывающая изменение некоторых прочностных и пластических параметров наводороженного металла. При этом изменение пластичности часто проявляется лишь при определенной температуре и скорости деформации. Обратимая хрупкость возникает, как правило, при относительно низкой концентрации водорода и исчезает при его десорбции.
Существует несколько теорий водородной хрупкости: молекулярная, адсорбционная, дислокационная, декогезионная [43— 48].
Согласно современным представлениям о возникновении трещин, основанным на теории декогезии металла под действием растворенного водорода, диффузия водорода под действием градиентов упругих напряжений вызывает накопление водорода в местах концентрации растягивающих напряжений. Водород снижает силы взаимного притяжения атомов железа в кристаллической решетке и вызывает разрушение металла [48].
Способность водорода к миграции в поле напряжений объясняет тот факт, что даже ничтожная концентрация водорода может вызвать развитие трещин в напряженных участках, например, вблизи остроконечного дефекта металла даже при давлениях молекулярного водорода в этом коллекторе недостаточных для самопроизвольного разрушения металла [49].
Зарождение трещин в ненагруженных механических сталях обнаружено в основном на коллекторах водорода вытянутой формы, являющихся интенсивными концентраторами напряжений и соответственно благоприятными коллекторами для стока водорода, и не замечено на вздутиях сферической формы [50].
Давление молекулярного водорода в коллекторе растет и вызывает растягивающие и касательные напряжения, значения которых по достижении некоторого критического значения концентрации водорода Cth может превысить силы сцепления. В связи с этим начинается процесс трещинообразования, обычно локализующийся по границам матрица — неметаллические включения. Микротрещины могут образовываться в отсутствие внешней нагрузки, однако при наличии пластической деформации их зарождение облегчается.