Склонность стали к растрескиванию в среде влажного сероводорода определяется соотношением количества водорода, проникающего в сталь, и критической концентрацией водорода Сth вызывающей образование трещин [55]. В связи с этим склонность к ВР тесно связана с содержанием водорода (С0) в стали. В случае С0 < C_th растрескивание не произойдет, а при С0 > > С_th растрескивание должно произойти.

Местами зарождения внутренних водородных трещин являются неметаллические включения. Наиболее неблагоприятно наличие строчек включений сульфидов марганца MnS, имеющих вытянутую остроконечную форму. В прокатанном металле сульфидные неметаллические включения располагаются преимущественно в ферритных зернах, вытянутых вдоль направления прокатки стали. Растрескивание, начавшееся на таких включениях, развивается по скоплениям включений. Как видно из рис. 4.10, с увеличением длины неметаллических включений возрастает склонность стали к ВР [56].

Форма, состав и свойства неметаллических включений оказывают существенное влияние на ВР сталей. Образование трещин наблюдается также на оксидных включениях, таких, как оксид-сульфиды Са—AI—OS, оксиды Аl—Са—О и Аl₂О₃. На границах оксидных включений с металлом в результате различия усадки и упругих параметров оксидов и стали возникают высокие термические напряжения, способствующие стоку водорода. Во время закалки стали особенно высокие термические напряжения возникают на границах фаз между сталью и такими включениями, как SiO₂, Аl₂О₃, З Аl₂О₃-SiO₂, имеющими низкие коэффициенты термического расширения (КТР). Около сульфидов, характеризующихся значительно большими КТР и слабой связью с матрицей, во время охлаждения не возникают поля напряжений, а появляются пустые области — коллекторы газообразного водорода. Полосчатость структуры повышает склонность к ВР.

Наличие в ферритно-перлитной структуре полос с аномальной структурой (мартенсита и бейнита) способствует образованию и распространению водородных трещин вдоль этих полос. Полосы аномальной структуры могут образовываться на участках с повышенным содержанием Мп и Р. Они имеют структуру неотпущенного мартенсита или бейнита с повышенной по сравнению с основной структурой твердостью.

Однородная мартенситная и бейнитная структуры характеризуются более высокой стойкостью к водородному охрупчиванию, чем ферритная и перлитная.

Влияние химического состава углеродистых и низколегированных сталей на ВР проявляется в первую очередь во вредном влиянии серы и марганца, образующих сульфиды марганца. Снижение содержания серы является эффективной мерой повышения стойкости стали, которую оценивали значением коэффициента растрескивания, определяемого как отношение площади поверхности, пораженной трещинами, к площади образца (рис. 4.11).

Рис. 4.10. Зависимость коэффициента растрескивания К стали от суммы длин L неметаллаческих включений на площади 17 мм2 [56]

Рис. 4.11. Зависимость коэффициента растрескивания К стали от содержания в ней серы [61]

Предельная концентрация серы, при которой возникает растрескивание, колеблется в зависимости от назначения стали. В сварных трубах содержание серы до 0,015 % не оказывает заметного влияния на склонность к ВР, а при содержании серы менее 0,003 % трещин почти не наблюдается [56].

Снижение содержания фосфора значительно улучшает стойкость против водородного растрескивания. Весьма существенным фактором, определяющим склонность стали к ВР, даже в большей степени, чем химический состав, является морфология неметаллических включений. Стойкость сталей можно повысить глобулизацией включений. Легирование стали кальцием или редкоземельными элементами, например церием, обладающим глобулообразующим действием на сульфиды, значительно повышает устойчивость стали. Добавка в сталь кальция существенно уменьшает среднюю длину внутренних водородных трещин. Введение в сталь кальция вместе с редкоземельными элементами позволяет достичь более полного контроля формы включений по всему объему заготовки и их равномерного распределения, что значительно увеличивает стойкость к ВР. Однако при увеличении соотношения содержания кальция к сере более 2: 1 стойкость снижается. Оптимальное соотношение кальция к сере равно 2: 1 [52, 53].