Характеристики на водородното крихтене и стандартизирани методи за изпитване
Водородното крихтене може да доведе до неочаквана, чуплива повреда на металните компоненти. За съжаление, водородното крихтене може да възпрепятства онези технически разработки, които зависят от наличието на високоякостни стомани (напр. Лека конструкция) или ориентирани към бъдещето концепции за енергийно снабдяване, като например захранване с газ (транспорт и съхранение на водород, получен от възобновяеми енергийни източници). Тази статия описва особеностите на водородното крихтене и някои стандартизирани методи за изпитване за оценка на материала, като тези, използвани в Института за механика на материалите IWM на Фраунхофер.
Фигура 1 Изображение на сканиращ електронен микроскоп на повърхността на счупване с типичните признаци на повреда, причинена от водородно омакчаване, като междузърнести пукнатини (зеещи граници на зърната), „пачи крак“ (структури на зърнените повърхности) и ямки. Изображение: Fraunhofer IWM
За да се разбере водородното крихтене, това помага да се прави разлика между свързания (уловен) и дифузионния водород. Уловеният водород е свързан в капани, например включвания или дислокации, и не може да се движи свободно в металната решетка. Той става дифузионен само когато е доставена необходимата енергия за активиране. Дифузионният водород може свободно да дифузира в металната решетка.
Процес на омекотяване с водород
Механичните напрежения (вътрешни напрежения или външни сили, действащи върху компонента) водят до преразпределение на дифузионния водород, тъй като металната решетка, опъната от опъващо напрежение, предлага повече пространство за водородните атоми. Резултатът е натрупване на водород в областта на пиковете на напрежението. С увеличаване на концентрацията на водород, свързващите сили на атомите и по този начин силата на материала намаляват. Този механизъм се нарича HEDE - подобрена с водород декохезия. В резултат на това зоните с високи механични натоварвания са засегнати от водородното омекотяване. Това често води до характерни микроскопични фрактурни явления (фиг. 1). Колкото по-голямо е снабдяването с водород, толкова по-малко е напрежението на опън, необходимо за повреда (фиг. 2).
Фиг. 2 Схематично представяне на зоната на повреда със статично натоварване при опън и водородно крихтене. Изображение: Fraunhofer IWM
Скоростта на преразпределение зависи от коефициента на дифузия, който е мярка за скоростта на дифузия. По принцип обаче могат да се приемат няколко часа до дни, докато се установи ново състояние на равновесие. Това зависимо от времето разпределение до голяма степен определя специалния механизъм на водородното крихтене. Не могат да бъдат изключени щети дори с уловения водород. Теорията на HELP (повишена с водород локализирана пластичност) описва как водородът, уловен на границите на зърната, води до локализация на дислокационното движение, което води до локализирани щети.
доказателство
Във всички метали може да се открие малко количество водород. Той или се въвежда в материала по време на производствения процес, или се дължи на атмосферната атмосфера. Няма общоприложима гранична концентрация, под която водородът да не се омазнява в материала. Въпреки това, при механични тестове, съчетани с измерване на общото съдържание на водород, критичното съдържание може да бъде определено за всеки материал и структура. Съдържанието на водород е подходящо като индикатор за осигуряване на качеството на производствения процес, но не замества редовните механични тестове, които също вземат предвид промените в микроструктурата и състава на сплавта.
Фигура 3 Зареждаща клетка за изпитвания на опън с електрохимично натоварване на място на пробата с водород. Изображение: Fraunhofer IWM
Представените досега методи за изпитване са подходящи за определяне на дългосрочни граници на натоварване на материалите и илюстрират риска от забавяне на повреда при статично натоварване. Омекотяването с водород обаче променя и свойствата на материала при краткотрайни динамични натоварвания. Разпространението на уморените пукнатини се увеличава със съдържанието на водород. Освен това енергията на удара и механичните параметри на разрушаване като J-интеграл или критичната интензивност на напрежението KIC могат да намалят с увеличаване на съдържанието на водород.
Заключение
Няма общо валидна критична концентрация на водород, която да води до омекотяване с водород. Това е различно за всеки материал, всяко структурно състояние и всяка ситуация на напрежение и може да бъде определено само във връзка с механични тестове. Особеност на водородното крихтене е, че водородът бавно дифундира в компонента в области с големи опънни напрежения и може да доведе до образуване на пукнатини там дори при статични натоварвания под границата на провлачване. Омекотяването с водород обаче не се ограничава до статични натоварвания; може да се очаква и влошаване на свойствата на материала при циклични и динамични натоварвания. Методите за изпитване за откриване на водородно крихтене вече са стандартизирани. В зависимост от условията на приложение на компонента, условията на околната среда трябва да бъдат картографирани в тестовете. Натоварването на място с водород е подходящо за това.