Charakteristiky vodíkového krehnutia a štandardizované skúšobné metódy
Vodíkové skrehnutie môže viesť k neočakávanému a krehkému zlyhaniu kovových komponentov. Bohužiaľ, vodíkové krehnutie môže brániť technickému rozvoju, ktorý závisí od dostupnosti vysokopevnostných ocelí (napr. Ľahkých konštrukcií) alebo koncepcií dodávok energie zameraných na budúcnosť, ako je energia na plyn (preprava a skladovanie vodíka získaného z obnoviteľných zdrojov energie). Tento článok popisuje zvláštnosti vodíkového krehnutia a niektoré štandardizované testovacie metódy na hodnotenie materiálov, ako sú napríklad metódy používané na Fraunhoferovom inštitúte pre mechaniku materiálov IWM.
Obrázok 1 Snímka povrchu zlomeniny skenovacím elektrónovým mikroskopom s typickými znakmi zlyhania spôsobeného vodíkovým krehnutím, ako sú medzigranulárne trhliny (medzera medzi hranicami zŕn), „vranie nohy“ (štruktúry na povrchu zŕn) a jamky. Obrázok: Fraunhofer IWM
Aby sme pochopili vodíkové krehnutie, pomáha to rozlišovať medzi viazaným (zachyteným) a difúznym vodíkom. Zachytený vodík je viazaný v pasciach, napríklad inklúziách alebo dislokáciách, a nemôže sa voľne pohybovať v kovovej mriežke. Difúznym sa stáva až vtedy, keď je dodaná požadovaná aktivačná energia. Difúzny vodík môže voľne difundovať v kovovej mriežke.
Proces vodíkového krehnutia
Mechanické napätia (vnútorné napätia alebo vonkajšie sily pôsobiace na komponent) vedú k prerozdeleniu difúzneho vodíka, pretože kovová mriežka napnutá tahovými napätiami ponúka viac priestoru pre atómy vodíka. Výsledkom je akumulácia vodíka v oblasti napäťových špičiek. So zvyšujúcou sa koncentráciou vodíka sa znižujú väzbové sily atómov a tým aj pevnosť materiálu. Tento mechanizmus sa nazýva HEDE - vodíkom vylepšená odtrhnutie. Výsledkom je, že oblasti s vysokým mechanickým zaťažením sú ovplyvnené vodíkovým krehnutím. To často vedie k charakteristickým javom mikroskopických zlomenín (obr. 1). Čím väčší je prívod vodíka, tým menšie je napätie v ťahu potrebné na zlyhanie (obr. 2).
Obrázok 2 Schematické znázornenie oblasti porušenia so statickým zaťažením v ťahu a vodíkovým krehnutím. Obrázok: Fraunhofer IWM
Rýchlosť redistribúcie závisí od difúzneho koeficientu, ktorý je mierou difúznej rýchlosti. V zásade však môže trvať niekoľko hodín až dní, kým sa nastolí nový rovnovážny stav. Táto časovo závislá distribúcia do značnej miery určuje špeciálny mechanizmus vodíkového krehnutia. Poškodenie nemožno vylúčiť ani pri zachytení vodíka. Teória HELP (Hydrogen-Enhanced Localized Plasticity) popisuje, ako vodík zachytený na hraniciach zŕn vedie k lokalizácii dislokačného pohybu, čo vedie k lokálnemu poškodeniu.
dôkaz
Vo všetkých kovoch je možné zistiť malé množstvo vodíka. Buď sa zavádza do materiálu počas výrobného procesu, alebo je dôsledkom okolitej atmosféry. Neexistuje žiadna všeobecne platná limitná koncentrácia, pod ktorou sa v materiáli nevyskytuje vodíkové skrehnutie. Avšak pri mechanických skúškach kombinovaných s meraním celkového obsahu vodíka je možné stanoviť kritický obsah pre každý materiál a štruktúru. Obsah vodíka je vhodný ako indikátor zabezpečenia kvality výrobného procesu, ale ani tak nenahrádza pravidelné mechanické skúšky, ktoré zohľadňujú aj zmeny v mikroštruktúre a zložení zliatiny.
Obrázok 3 Plniaca bunka pre skúšky v ťahu s elektrochemickým zaťažením vzorky in situ vodíkom. Obrázok: Fraunhofer IWM
Doteraz predložené skúšobné metódy sú vhodné na stanovenie limitov dlhodobého zaťaženia materiálov a na ilustráciu rizika oneskoreného zlyhania pri statickom zaťažení. Vodíkové krehnutie však tiež mení vlastnosti materiálu pri krátkodobom dynamickom zaťažení. Takže šírenie únavovej trhliny stúpa s obsahom vodíka. Ďalej môžu vrubové nárazové práce a mechanické parametre lomu, ako je integrál J alebo kritická intenzita napätia KIC, klesať so zvyšujúcim sa obsahom vodíka.
Záver
Neexistuje žiadna všeobecne platná kritická koncentrácia vodíka, ktorá vedie k krehnutiu vodíka. To sa líši pre každý materiál, každý konštrukčný stav a každú stresovú situáciu a dá sa určiť iba v súvislosti s mechanickými skúškami. Zvláštnosťou vodíkového krehnutia je, že vodík pomaly difunduje v súčasti do oblastí s vysokým namáhaním v ťahu a môže tam viesť k vzniku trhliny aj pri statickom zaťažení pod medzou klzu. Vodíkové krehnutie sa však neobmedzuje iba na statické zaťaženie; zhoršenie vlastností materiálu možno očakávať aj pri cyklickom a dynamickom zaťažení. Skúšobné metódy na zisťovanie vodíkového krehnutia sú už štandardizované. V závislosti od podmienok použitia komponentu musia byť pri testoch mapované podmienky okolia. Na to je vhodné plnenie vodíkom in situ.