Характеристика водневого крихкості та стандартизовані методи випробувань
Водневе крихкість може призвести до несподіваного, крихкого руйнування металевих компонентів. На жаль, водневе крихкість може перешкоджати тим технічним розробкам, які залежать від наявності високоміцних сталей (наприклад, легка конструкція) або орієнтованих на майбутнє концепцій енергопостачання, таких як подача газу (транспортування та зберігання водню, отриманого з відновлюваних джерел енергії). Ця стаття описує особливості водневого крихкості та деякі стандартизовані методи випробувань для оцінки матеріалів, такі як ті, що використовуються в Інституті механіки матеріалів IWM Фраунгофера.
Рисунок 1 Скануюче зображення електронного мікроскопа поверхні руйнування з типовими ознаками руйнування, спричиненого водневим окрихченням, такими як міжкристалічні тріщини (зяючі межі зерен), “гусячі лапки” (структури на зернових поверхнях) та ямки. Зображення: Fraunhofer IWM
Щоб зрозуміти водневе крихкість, це допомагає розрізнити зв’язаний (захоплений) та дифузійний водень. Захоплений водень зв’язаний в пастках, наприклад, включеннях або дислокаціях, і не може вільно рухатися в металевій решітці. Він стає дифузійним лише тоді, коли подається необхідна енергія активації. Дифузійний водень може вільно дифундувати в металевій решітці.
Процес водневого крихкості
Механічні напруження (внутрішні напруги або зовнішні сили, що діють на компонент) призводять до перерозподілу дифузійного водню, оскільки металева решітка, розтягнута напруженнями розтягування, забезпечує більше місця для атомів водню. Результатом є накопичення водню в області піків напруги. Зі збільшенням концентрації водню сили зв’язку атомів і, отже, міцність матеріалу зменшуються. Цей механізм називається HEDE - покращений воднем декогезія. Як результат, ділянки з високими механічними навантаженнями зазнають впливу водневого крихкості. Це часто призводить до характерних мікроскопічних явищ руйнування (рис. 1). Чим більше подача водню, тим менша напруга при розтягуванні, необхідна для руйнування (рис. 2).
Рис. 2 Схематичне зображення області руйнування зі статичним розтягуючим навантаженням та водневим крихкістю. Зображення: Fraunhofer IWM
Швидкість перерозподілу залежить від коефіцієнта дифузії, який є мірою швидкості дифузії. Однак у принципі може зайняти кілька годин до днів, поки не встановиться новий стан рівноваги. Цей залежний від часу розподіл значною мірою визначає особливий механізм водневого крихкості. Не можна виключати пошкодження навіть затриманим воднем. Теорія HELP (локалізована пластичність з посиленням водню) описує, як водень, що потрапляє на межі зерен, призводить до локалізації дислокаційного руху, що призводить до локалізованих пошкоджень.
доказ
Невелика кількість водню можна виявити у всіх металах. Він або вводиться в матеріал під час виробничого процесу, або завдяки атмосферній атмосфері. Не існує загальноприйнятої граничної концентрації, нижче якої водневе крихкість не відбувається в матеріалі. Однак механічні випробування в поєднанні з вимірюванням загального вмісту водню можуть визначити критичний вміст для кожного матеріалу та структури. Вміст водню підходить як показник для забезпечення якості виробничого процесу, але навіть тоді він не замінює регулярні механічні випробування, які також враховують зміни мікроструктури та складу сплаву.
Рисунок 3 Навантажувальна камера для випробувань на розтяг з електрохімічним завантаженням зразка на місці воднем. Зображення: Fraunhofer IWM
Представлені на сьогодні методи випробувань придатні для визначення довгострокових меж навантаження матеріалів та ілюструють ризик затримки руйнування при статичному навантаженні. Однак воднева крихкість також змінює властивості матеріалу при короткочасних динамічних навантаженнях. Отже, поширення втомної тріщини збільшується із змістом водню. Крім того, енергія удару та механічні параметри руйнування, такі як J-інтеграл або критична інтенсивність напружень KIC, можуть зменшуватися із збільшенням вмісту водню.
Висновок
Не існує загальноприйнятої критичної концентрації водню, яка веде до крихкості водню. Це різниться для кожного матеріалу, будь-якого стану конструкції та будь-якої напруженої ситуації і може бути визначено лише у зв'язку з механічними випробуваннями. Особливістю водневого крихкості є те, що водень повільно дифундує в компоненті на ділянки з великими напруженнями при розтягуванні і може призвести до виникнення там тріщини навіть при статичних навантаженнях нижче межі текучості. Однак водневе крихкість не обмежується статичними навантаженнями; погіршення властивостей матеріалу також можна очікувати при циклічних та динамічних навантаженнях. Методи випробувань для виявлення водневої крихкості вже стандартизовані. Залежно від умов застосування компонента, в тестах повинні бути відображені умови навколишнього середовища. Для цього підходить завантаження воднем in situ.