Personel inżynieryjny musi być świadomy warunków sprzyjających kruchemu pękaniu wodorowemu oraz procesu jego powstawania przy wyborze materiałów do określonego zastosowania. Ten artykuł omawia źródła wodoru i cechy powstawania kruchego pękania wodorowego.
Problem
Inną formą pękania korozyjnego pod wpływem naprężeń jest kruche pękanie wodorowe. Chociaż kruchość materiałów przyjmuje wiele form, kruche pękanie wodorowe w stalach o wysokiej wytrzymałości ma najbardziej niszczycielski efekt z powodu katastrofalnego charakteru pęknięć, gdy występują. Kruche pękanie wodorowe to proces, w którym stal traci swoją plastyczność i wytrzymałość z powodu drobnych pęknięć wynikających z wewnętrznego ciśnienia wodoru (H2) lub metanu (CH4), które tworzą się na granicach ziaren. W stopach cyrkonu kruche pękanie wodorowe jest spowodowane tworzeniem się wodorków cyrkonu.
Źródła wodoru
Źródła wodoru powodujące kruche pękanie były spotykane podczas produkcji stali, w procesach obróbki części, w spawaniu, w magazynowaniu lub przechowywaniu gazu wodorowego oraz jako zanieczyszczenie środowiska, które często jest produktem ubocznym ogólnej korozji. Wodór może być produkowany przez reakcje korozyjne, takie jak rdzewienie, ochrona katodowa i galwanizacja.
Kruche pękanie wodorowe stali nierdzewnej
Jak pokazano na poniższym obrazku, wodór dyfunduje wzdłuż granic ziaren i łączy się z węglem (C), który jest stopiony z żelazem, tworząc gaz metanowy. Gaz metanowy nie jest mobilny i gromadzi się w małych pustkach wzdłuż granic ziaren, gdzie tworzy ogromne ciśnienia inicjujące pęknięcia.
Kruche pękanie wodorowe
Jeśli metal jest poddany wysokiemu naprężeniu rozciągającemu, może dojść do kruchego pęknięcia. W normalnych temperaturach pokojowych atomy wodoru są absorbowane do sieci metalowej i dyfundują przez ziarna, mając tendencję do gromadzenia się przy wtrąceniach lub innych defektach sieci. Jeśli naprężenie powoduje pękanie w tych warunkach, ścieżka jest transkrystaliczna. W wysokich temperaturach absorbowany wodór ma tendencję do gromadzenia się na granicach ziaren, a pękanie indukowane naprężeniem jest wtedy międzykrystaliczne. Pękanie stopów stali martenzytycznej i utwardzanej wydzieleniowo uważa się za formę pękania korozyjnego pod wpływem naprężeń wodorowych, które wynika z wnikania do metalu części atomowego wodoru produkowanego w następującej reakcji korozyjnej.
Kruche pękanie wodorowe nie jest trwałym stanem. Jeśli pękanie nie występuje i warunki środowiskowe zostaną zmienione tak, że wodór nie jest generowany na powierzchni metalu, wodór może redyfuzować ze stali, przywracając plastyczność.
Aby rozwiązać problem kruchego pękania wodorowego, kładzie się nacisk na kontrolowanie ilości wodoru resztkowego w stali, kontrolowanie ilości wodoru pobieranego w procesach, opracowywanie stopów z lepszą odpornością na kruche pękanie wodorowe, rozwijanie procesów powlekania lub galwanizacji o niskiej lub zerowej kruchości oraz ograniczanie ilości wodoru wprowadzanej in situ (na miejscu) podczas eksploatacji części.
Podsumowanie
Ważne informacje w tej sekcji są podsumowane poniżej.
Podsumowanie kruchego pękania wodorowego
Warunki wymagane do kruchego pękania wodorowego w stali to obecność wodoru i obecność węgla w stali. Wodór pochodzi z:
- Produkcji stali.
- Obróbki części.
- Spawania.
- Magazynowania lub przechowywania gazu wodorowego.
- Wodoru jako zanieczyszczenia w środowisku (często produkowanego jako produkt uboczny ogólnej korozji).
Kruche pękanie wodorowe jest wynikiem wodoru, który dyfunduje wzdłuż granic ziaren i łączy się z węglem, tworząc gaz metanowy. Gaz metanowy gromadzi się w małych pustkach wzdłuż granic ziaren, gdzie tworzy ogromne ciśnienia inicjujące pęknięcia i zmniejszające plastyczność stali. Jeśli metal jest poddany wysokiemu naprężeniu rozciągającemu, może dojść do kruchego pęknięcia.