A hidrogénháborodás jellemzői és szabványosított vizsgálati módszerek
A hidrogénháborodás a fém alkatrészek váratlan, törékeny meghibásodásához vezethet. Sajnos a hidrogénháborítás akadályozhatja azokat a technikai fejlesztéseket, amelyek a nagy szilárdságú acélok rendelkezésre állásától függenek (pl. Könnyűszerkezetes építés), vagy olyan jövőorientált energiaellátási koncepcióktól, mint például a gáz-energia (a megújuló energiákból nyert hidrogén szállítása és tárolása). Ez a cikk ismerteti a hidrogén-gátlás sajátosságait és néhány szabványosított vizsgálati módszert az anyagok értékeléséhez, például azokat, amelyeket a Fraunhofer IWM Anyagmechanikai Intézetben használnak.
1. ábra: egy törésfelület pásztázó elektronmikroszkópos képe, amelynek tipikus meghibásodási jeleit a hidrogén-ridegség okozza, például szemcsék közötti repedések (táguló szemcsehatárok), „szarkalábak” (a szemcsék felszínén lévő szerkezetek) és gödör. Kép: Fraunhofer IWM
A hidrogénháborodás megértéséhez segít megkülönböztetni a kötött (csapdába esett) és a diffundálható hidrogént. A csapdába esett hidrogén csapdákba van kötve, például zárványokba vagy diszlokációkba, és nem mozoghat szabadon a fémrácsban. Csak akkor válik diffundálhatóvá, ha a szükséges aktiválási energiát ellátják. A diffundálható hidrogén szabadon diffundálhat a fémrácsban.
A hidrogénháborítás folyamata
A mechanikai igénybevételek (a belső feszültségek vagy a komponensre ható külső erők) a diffundálható hidrogén újraeloszlásához vezetnek, mivel a húzófeszültség által kifeszített fémrács nagyobb teret kínál a hidrogénatomoknak. Ennek eredménye a hidrogén felhalmozódása a feszültségcsúcsok területén. A hidrogén koncentrációjának növekedésével csökken az atomok kötőereje és ezáltal az anyag szilárdsága. Ezt a mechanizmust HEDE-nek hívják - Hidrogénnel fokozott dekohézió. Ennek eredményeként a nagy mechanikai terhelésű területeket a hidrogén-ridegség érinti. Ez gyakran jellegzetes mikroszkopikus törésjelenségeket eredményez (1. ábra). Minél nagyobb a hidrogénellátás, annál kisebb a megszakadáshoz szükséges húzófeszültség (2. ábra).
2. ábra A meghibásodási terület sematikus ábrázolása statikus húzóterheléssel és hidrogén-ridegséggel. Kép: Fraunhofer IWM
Az újraeloszlás sebessége a diffúziós együtthatótól függ, amely a diffúzió sebességének mértéke. Elvileg azonban néhány órától napig eltarthat, amíg létrejön egy új egyensúlyi állapot. Ez az időfüggő eloszlás nagymértékben meghatározza a hidrogéngátlás speciális mechanizmusát. A károsodás még csapdába esett hidrogén esetén sem zárható ki. A HELP elmélet (Hidrogénnel javított lokalizált plaszticitás) leírja, hogy a szemcsehatároknál csapdába esett hidrogén hogyan vezet a diszlokációs mozgás lokalizációjához, ami lokalizált károsodást eredményez.
bizonyíték
A hidrogén valamennyi fémben kis mértékben kimutatható. Vagy a gyártási folyamat során kerül be az anyagba, vagy a környezeti légkörnek köszönhető. Nincs olyan általánosan alkalmazható határkoncentráció, amely alatt a hidrogén-ridegség nem fordul elő egy anyagban. Azonban a teljes hidrogén-tartalom mérésével kombinált mechanikai vizsgálatokkal meghatározható az egyes anyagok és szerkezetek kritikus tartalma. A hidrogéntartalom alkalmas indikátor a gyártási folyamat minőségbiztosítására, de még akkor sem helyettesíti a rendszeres mechanikai vizsgálatokat, amelyek figyelembe veszik a mikrostruktúra és az ötvözet összetételének változását is.
3. ábra Terhelő cella húzóvizsgálatokhoz a minta elektrokémiai in situ töltésével hidrogénnel. Kép: Fraunhofer IWM
Az eddig bemutatott vizsgálati módszerek alkalmasak az anyagok hosszú távú terhelési határainak meghatározására, és statikus terheléssel szemléltetik a késleltetett meghibásodás kockázatát. A hidrogén-ridegség azonban rövid távú dinamikus terhelés alatt is megváltoztatja az anyag tulajdonságait. Tehát a fáradási repedés terjedése a hidrogén tartalommal együtt növekszik. Ezenkívül a bevágott ütközési munka és a törésmechanikai paraméterek, például a J-integrál vagy a kritikus feszültségintenzitás KIC csökkenhetnek a hidrogéntartalom növekedésével.
Következtetés
Nincs általánosan érvényes kritikus hidrogénkoncentráció, amely hidrogén ridegséghez vezetne. Ez minden anyagnál, szerkezeti állapotnál és stresszhelyzetnél különbözik, és csak mechanikai vizsgálatokkal határozható meg. A hidrogénhevedés sajátossága, hogy a hidrogén az alkatrészben lassan diffundál nagy húzófeszültségű területekre, és ott még a hozampont alatti statikus terhelések mellett is repedésindításhoz vezethet. A hidrogénháborodás azonban nem korlátozódik a statikus terhelésekre, ciklikus és dinamikus terhelések esetén is várható az anyag tulajdonságainak romlása. A hidrogén ridegség kimutatására szolgáló vizsgálati módszerek már szabványosítottak. Az alkatrész alkalmazási körülményeitől függően a környezeti feltételeket feltérképezni kell a vizsgálatok során. Erre alkalmas a hidrogénnel történő in situ töltés.