Abstract: Tässä artikkelissa käsitellään hiiliteräksen vetyhaurastumista. Siihen sisältyy keskustelu mekanismista, jolla teräs haurastuu vedyn vaikutuksesta, olosuhteista, jotka johtavat haurastumiseen, haurastumisen vaikutuksista teräksen käyttäytymiseen, haurastumisen estämisestä ja testeistä, joilla voidaan arvioida, onko teräs haurastunut.

Vetyhaurastumisella tarkoitetaan metallin sitkeyden heikkenemistä ja kuormituskyvyn alenemista, jotka johtuvat vetyatomien tai -molekyylien imeytymisestä metalliin. Vetyhaurastumisen seurauksena komponentit halkeilevat ja murtuvat jännityksissä, jotka ovat pienempiä kuin metallin myötölujuus.

Katso metallurgian kursseja & webinaareja
Tarvitsetko apua vikaantumisanalyysin tekemisessä?

Vetyhaurastumisprosessi
Huoneenlämpötilassa vetyatomit voivat imeytyä hiiliteräksestä valmistettuihin seoksiin. Absorboitunut vety voi olla joko atomi- tai molekyylimuodossa. Riittävän ajan kuluessa vety diffundoituu metallin raerajoille ja muodostaa kuplia metallin raerajoille. Nämä kuplat aiheuttavat painetta metallijyviin. Paine voi kasvaa niin suureksi, että metallin sitkeys ja lujuus heikkenevät.

Tilanteet, jotka johtavat vedyn absorptioon

Vety voi päästä ja diffundoitua teräksen läpi jo huoneenlämmössä. Tämä voi tapahtua erilaisten valmistus- ja kokoonpanotoimenpiteiden tai käyttökäytön aikana – missä tahansa, missä metalli joutuu kosketuksiin atomaarisen tai molekyylisen vedyn kanssa

Prosesseja, joissa vedyn imeytyminen on mahdollista, ovat esimerkiksi happopeittaus ja galvanointi. Happopeittokylvyissä on vetyä. Galvanoinnissa vetyä syntyy pinnoitettavan metallin pinnalla. Happopeittausta käytetään poistamaan oksidipölyä teräksen pinnalta, ja galvanointia käytetään yleisesti sinkityksen aikaansaamiseksi teräksisille muttereille, pulteille, ruuveille ja muille kiinnittimille teräksen galvaanista korroosiosuojaa varten. Muita galvanoituja pinnoitteita käytetään erilaisiin sovelluksiin.

Vetyhaurastumista voi tapahtua myös komponentin ollessa käytössä, jos teräs altistuu hapoille tai jos teräksessä tapahtuu korroosiota.

Intergranulaarinen murtuminen

Esimerkki vetyhaurastumisesta johtuvasta vikaantumisesta on esitetty alla olevissa kuvissa. Vasemmassa kuvassa on makroskooppinen näkymä murtuneesta, sinkitystä teräspultista. Oikeanpuoleisessa kuvassa on pyyhkäisyelektronimikroskooppikuva murtumapinnasta. Tässä kuvassa näkyvät yksittäiset rakeet metallin murtumispinnalla, mikä viittaa rakeiden väliseen murtumaan. Pultti haurastui sinkitysprosessin aikana.

Intergranulaarinen halkeilu syntyy, kun säröt muodostuvat ja kasvavat metallin heikentyneillä raerajoilla. Vetyhaurastumisen tapauksessa raerajoilla olevat vetykuplat heikentävät metallia.

Vetyhaurastumisesta johtuvan vikaantumisen edellytykset

Vetyhaurastumisesta johtuvalle vikaantumiselle on kolme edellytystä:

• Vetyhaurastumiselle altis materiaali.
• Vetyä sisältävälle ympäristölle altistuminen.
• Komponentin vetojännitys.

Lujat teräkset, joiden vetolujuus on yli noin 145 ksi (1000 MPa), ovat vetyhaurastumiselle herkimpiä seoksia.

Kuten aiemmin mainittiin, altistumista vedylle tapahtuu pintakäsittelyprosessin vaiheissa, kuten happopeittauksessa ja galvanoinnissa, sekä käytön aikana, jos teräs altistuu hapoille tai jos esiintyy korroosiota.

Murtumista aiheuttavan jännityksen osalta jopa vetojäännösjännitys komponentin sisällä voi riittää aiheuttamaan haurastuneen materiaalin rikkoutumisen.

Katso metallurgian kursseja & webinaareja
Tarvitsetko apua vikaantumisanalyysissä?

Vetyhaurastumisen ehkäiseminen

Vetyhaurastumisen välttämiseksi voidaan ryhtyä toimenpiteisiin, joita ovat vetyaltistumisen vähentäminen ja paistaminen galvanoinnin tai muiden vetyabsorptioon johtavien prosessien jälkeen. Galvanoitujen komponenttien vetyhaurastuminen voidaan estää paahtamalla niitä 190-220 °C:ssa (375-430 °F) muutaman tunnin kuluessa galvanointiprosessin jälkeen. Paistamisen aikana vety diffundoituu ulos metallista.

Sovelluksissa, joissa vetyabsorptiota tapahtuu komponentin ollessa käytössä, alhaisemman lujuuden omaavien terästen käyttö sekä jäännös- ja jännitysjännityksen vähentäminen ovat keinoja välttää vetyhaurastumisesta johtuva murtuminen.

Vetyhaurastumisen arviointi

Viimeiseksi on olemassa testejä, jotka voidaan suorittaa sen arvioimiseksi, johtaako prosessointi teräksen vetyhaurastumiseen. Tässä on kaksi tällaista testiä:

• ASTM F1940 Standard Test Method for Process Control Verification to Prevent Hydrogen Embrittlement in Plated or Coated Fasteners
• ASTM F519 Standard Test Method for Mechanical Hydrogen Embrittlement Evaluation of Plating Processes and Service Environments