Abstract: This article discusses hydrogen embrittlement of carbon steel. Obejmuje on omówienie mechanizmu, w którym stal ulega kruchości wodorowej, okoliczności prowadzących do kruchości, wpływu kruchości na zachowanie stali, sposobów zapobiegania kruchości oraz testów służących do oceny, czy stal uległa kruchości.

Kruchość wodorowa to utrata plastyczności metalu i zmniejszenie zdolności przenoszenia obciążeń w wyniku absorpcji atomów lub cząsteczek wodoru przez metal. W wyniku kruchości wodorowej komponenty pękają i łamią się przy naprężeniach mniejszych niż granica plastyczności metalu.

Zobacz kursy metalurgii& webinaria
Potrzebujesz pomocy w analizie awarii?

Proces kruchości
W temperaturze pokojowej atomy wodoru mogą być absorbowane przez stopy stali węglowej. Zaabsorbowany wodór może być obecny w formie atomowej lub cząsteczkowej. W odpowiednim czasie, wodór dyfunduje do granic ziaren metalu i tworzy pęcherzyki na granicach ziaren metalu. Pęcherzyki te wywierają ciśnienie na ziarna metalu. Ciśnienie może wzrosnąć do poziomu, w którym metal ma zmniejszoną plastyczność i wytrzymałość.

Sytuacje prowadzące do absorpcji wodoru

Wodór może przedostawać się i dyfundować przez stal nawet w temperaturze pokojowej. Może to nastąpić podczas różnych operacji produkcyjnych i montażowych lub podczas użytkowania – wszędzie tam, gdzie metal wchodzi w kontakt z wodorem atomowym lub cząsteczkowym

Procesy, w których istnieje możliwość absorpcji wodoru, obejmują trawienie kwasem i galwanizację. Wodór jest obecny w kwaśnych kąpielach trawiących. Podczas galwanizacji wodór jest wytwarzany na powierzchni pokrywanego metalu. Trawienie kwasem jest stosowane do usuwania zgorzeliny tlenkowej z powierzchni stali, a galwanizacja jest powszechnie stosowana do osadzania cynku na stalowych nakrętkach, śrubach, wkrętach i innych elementach złącznych w celu ochrony stali przed korozją galwaniczną. Inne powłoki galwaniczne są wykorzystywane do różnych zastosowań.

Wchłanianie wodoru może również wystąpić podczas eksploatacji elementu, jeśli stal jest narażona na działanie kwasów lub jeśli wystąpi korozja stali.

Pęknięcia międzyziarnowe

Przykład awarii spowodowanej kruchością wodorową pokazano na poniższych rysunkach. Lewy obraz przedstawia makroskopowy widok pękniętej, ocynkowanej, stalowej śruby. Prawy obraz przedstawia obraz powierzchni pęknięcia w skaningowym mikroskopie elektronowym. Na tym obrazie widoczne są pojedyncze ziarna na powierzchni pęknięcia metalu, co wskazuje na pęknięcie międzykrystaliczne. Śruba uległa wykruszeniu podczas procesu cynkowania galwanicznego.

Pęknięcie międzykrystaliczne występuje, gdy pęknięcia tworzą się i rosną wzdłuż osłabionych granic ziaren w metalu. W przypadku kruchości wodorowej pęcherzyki wodoru na granicach ziaren osłabiają metal.

Wymagania dotyczące zniszczenia w wyniku kruchości wodorowej

Istnieją trzy wymagania dotyczące zniszczenia w wyniku kruchości wodorowej:

• Podatny materiał.
• Narażenie na środowisko zawierające wodór.
• Obecność naprężeń rozciągających w elemencie.

Stale wysokowytrzymałe o wytrzymałości na rozciąganie większej niż około 145 ksi (1000 MPa) są stopami najbardziej podatnymi na kruchość wodorową.

Jak wspomniano wcześniej, narażenie na działanie wodoru występuje podczas etapów procesu wykańczania powierzchni, takich jak trawienie kwasem i galwanizacja oraz podczas eksploatacji, gdy stal jest narażona na działanie kwasów lub gdy występuje korozja.

Jeśli chodzi o naprężenia powodujące pękanie, to nawet rozciągające naprężenia szczątkowe w elemencie mogą być wystarczające do spowodowania awarii materiału kruchego.

Zobacz kursy metalurgii & webinaria
Potrzebujesz pomocy w analizie awarii?

Zapobieganie kruchości wodorowej

Kroki, które można podjąć w celu uniknięcia kruchości wodorowej obejmują zmniejszenie ekspozycji na wodór i wypalanie po galwanizacji lub innych procesach, które prowadzą do absorpcji wodoru. Kruchości wodorowej elementów galwanizowanych można zapobiec przez ich wypiekanie w temperaturze 375 do 430 °F (190 do 220°C) w ciągu kilku godzin po procesie galwanizacji. Podczas pieczenia wodór dyfunduje z metalu.

W przypadku zastosowań, w których będzie występować absorpcja wodoru podczas pracy elementu, zastosowanie stali o niższej wytrzymałości oraz zmniejszenie naprężeń szczątkowych i użytkowych to sposoby na uniknięcie pęknięć spowodowanych kruchością wodorową.

Ocena kruchości wodorowej

Wreszcie, istnieją testy, które można wykonać, aby ocenić, czy przetwarzanie prowadzi do kruchości wodorowej stali. Oto dwa takie badania:

• 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

.