Caracteristicile fragilizării hidrogenului și metodelor de testare standardizate
Fragilizarea hidrogenului poate duce la defectarea neașteptată și fragilă a componentelor metalice. Din păcate, fragilizarea hidrogenului poate împiedica acele dezvoltări tehnice care sunt dependente de disponibilitatea oțelurilor de înaltă rezistență (de exemplu, construcții ușoare) sau a conceptelor de furnizare a energiei orientate spre viitor, cum ar fi energia către gaz (transportul și stocarea hidrogenului obținut din energii regenerabile). Acest articol descrie particularitățile fragilizării hidrogenului și câteva metode standardizate de testare pentru evaluarea materialelor, cum ar fi cele utilizate la Institutul Fraunhofer pentru Mecanica Materialelor IWM.
Figura 1 Imaginea microscopului electronic de scanare a unei suprafețe de fractură cu semnele tipice de defecțiune cauzate de fragilitatea hidrogenului, cum ar fi fisuri intergranulare (granițe între cereale), „picioarele corbii” (structuri pe suprafețele cerealelor) și pitting. Imagine: Fraunhofer IWM
Pentru a înțelege fragilitatea hidrogenului, ajută la diferențierea între hidrogenul legat (prins) și cel difuzibil. Hidrogenul prins este legat în capcane, de exemplu, incluziuni sau luxații și nu se poate mișca liber în rețeaua metalică. Devine difuzibil doar atunci când este furnizată energia de activare necesară. Hidrogenul difuzibil se poate difuza liber în rețeaua metalică.
Procesul de fragilitate a hidrogenului
Tensiunile mecanice (tensiunile interne sau forțele externe care acționează asupra componentei) duc la o redistribuire a hidrogenului difuzibil, deoarece o rețea metalică întinsă de tensiunea de tracțiune oferă mai mult spațiu pentru atomii de hidrogen. Rezultatul este o acumulare de hidrogen în zona vârfurilor de tensiune. Pe măsură ce concentrația de hidrogen crește, forțele de legătură ale atomilor și, astfel, puterea materialului scad. Acest mecanism se numește HEDE - Decoezie îmbunătățită cu hidrogen. Ca urmare, zonele cu sarcini mecanice ridicate sunt afectate în special de fragilitatea hidrogenului. Acest lucru duce adesea la fenomene caracteristice de fractură microscopică (Fig. 1). Cu cât este mai mare alimentarea cu hidrogen, cu atât este mai mică tensiunea de tracțiune necesară pentru eșec (Fig. 2).
Fig. 2 Reprezentarea schematică a zonei de defectare cu încărcare statică la întindere și fragilizare cu hidrogen. Imagine: Fraunhofer IWM
Viteza de redistribuire depinde de coeficientul de difuzie, care este o măsură a vitezei de difuzie. Cu toate acestea, practic, se pot presupune câteva ore până la zile până când se stabilește o nouă stare de echilibru. Această distribuție dependentă de timp determină în mare măsură mecanismul special de fragilitate a hidrogenului. Deteriorarea nu poate fi exclusă chiar și cu hidrogenul prins. Teoria HELP (Plasticitate localizată îmbunătățită cu hidrogen) descrie modul în care hidrogenul prins la limitele granulelor duce la o localizare a mișcării dislocării, rezultând daune localizate.
dovada
O cantitate mică de hidrogen poate fi detectată în toate metalele. Este fie introdus în material în timpul procesului de producție, fie se datorează atmosferei ambiante. Nu există, în general, o concentrație limită valabilă sub care fragilitatea hidrogenului nu are loc într-un material. Cu toate acestea, testele mecanice combinate cu o măsurare a conținutului total de hidrogen pot fi utilizate pentru a determina conținutul critic pentru fiecare material și structură. Conținutul de hidrogen este potrivit ca indicator pentru asigurarea calității într-un proces de producție, dar chiar și atunci nu înlocuiește testele mecanice regulate care iau în considerare și modificările în microstructură și compoziția aliajelor.
Figura 3 Celulă de încărcare pentru teste de tracțiune cu încărcare electrochimică in situ a probei cu hidrogen. Imagine: Fraunhofer IWM
Metodele de testare prezentate până în prezent sunt adecvate pentru determinarea limitelor de sarcină pe termen lung pentru materiale și ilustrează riscul de defecțiune întârziată cu încărcarea statică. Cu toate acestea, fragilitatea hidrogenului modifică și proprietățile materialului sub sarcini dinamice pe termen scurt. Deci propagarea fisurilor de oboseală crește odată cu conținutul de hidrogen. Mai mult, energia de impact și parametrii mecanici ai fracturii, cum ar fi integrala J sau intensitatea critică a tensiunii KIC, pot scădea odată cu creșterea conținutului de hidrogen.
Concluzie
Nu există în general o concentrație critică de hidrogen valabilă care să ducă la fragilitatea hidrogenului. Acest lucru este diferit pentru fiecare material, fiecare stare structurală și fiecare situație de solicitare și poate fi determinat numai în legătură cu testele mecanice. O particularitate a fragilizării hidrogenului este că hidrogenul difuzează încet în componentă în zone cu solicitări de tracțiune ridicate și poate duce la inițierea fisurilor acolo chiar și sub sarcini statice sub punctul de randament. Cu toate acestea, fragilitatea hidrogenului nu se limitează la sarcini statice; o degradare a proprietăților materialului poate fi de așteptat și cu sarcini ciclice și dinamice. Metodele de testare pentru detectarea fragilizării hidrogenului sunt deja standardizate. În funcție de condițiile de aplicare ale componentei, condițiile ambientale trebuie să fie mapate în teste. Încărcarea in situ cu hidrogen este potrivită pentru aceasta.