Карактеристики на распарчување на водород и стандардизирани методи на испитување
Електричноста на водородот може да доведе до неочекувано, кршливо откажување на металните компоненти. За жал, водородната елиминација може да ги попречи техничките достигнувања што зависат од достапноста на челици со висока јачина (на пр. Лесна конструкција) или кон иднината ориентирани концепти за снабдување со енергија, како што се напојувањето на гасот (транспорт и складирање на водород добиен од обновливи енергии). Оваа статија ги опишува особеностите на расолувањето со водород и некои стандардизирани методи за тестирање за проценка на материјалот, како што се оние што се користат во Институтот за механика на материјали Фраунхофер IWM.
Слика 1 Скенирање на електронска слика на микроскоп на површина на фрактура со типични знаци на откажување предизвикани од водородна елиминација, како што се меѓугрануларни пукнатини (отворање на границите на зрната), „стапала на врана“ (структури на површините на зрната) и дупчење. Слика: Fraunhofer IWM
За да се разбере растворувањето на водород, помага да се направи разлика помеѓу врзаниот (заробен) и дифузниот водород. Заробениот водород е врзан во стапици, на пример, подмножества или дислокации и не може слободно да се движи во металната решетка. Станува дифузен само кога се снабдува потребната енергија за активирање. Дифузниот водород може слободно да дифундира во металната решетка.
Процес на водство на водород
Механичките напрегања (внатрешни напрегања или надворешни сили што дејствуваат на компонентата) доведуваат до прераспределба на дифузниот водород, бидејќи металната решетка испружена со затегнувачки напон нуди повеќе простор за атомите на водородот. Резултатот е акумулација на водород во областа на врвовите на напон. Како што се зголемува концентрацијата на водород, така и силите на материјалот се намалуваат врските на атомите. Овој механизам се нарекува HEDE - Decohesion засилена со водород. Како резултат, областите со големи механички оптоварувања се погодени од раствор на водород. Ова често резултира во карактеристични феномени на микроскопска фрактура (Слика 1). Колку е поголемо снабдувањето со водород, толку е помал напонот на затегнување неопходен за откажување (слика 2).
Сл. 2 Шематски приказ на областа на дефект со статичко оптеретување на затегнување и водство на водород. Слика: Fraunhofer IWM
Брзината на прераспределба зависи од коефициентот на дифузија, што е мерка за брзината на дифузија. Во принцип, може да потрае неколку часа до денови додека не се воспостави нова состојба на рамнотежа. Оваа временски зависна дистрибуција во голема мера го одредува специјалниот механизам на раствор на водород. Штетата не може да се исклучи дури и со заробен водород. Теоријата за ПОМОГ (Локализирана пластичност со зајакната хидроген) опишува како водородот заробен на граничните зрна доведува до локализација на движењето на дислокација, што резултира во локализирана штета.
доказ
Мала количина на водород може да се открие кај сите метали. Или се внесува во материјалот за време на производствениот процес или се должи на амбиентната атмосфера. Не постои генерално валидна гранична концентрација под која растворувањето на водород не се јавува во материјал. Меѓутоа, при механички тестови во комбинација со мерење на вкупната содржина на водород, критичната содржина може да се одреди за секој материјал и структура. Содржината на водород е соодветна како индикатор за осигурување на квалитетот во производниот процес, но и тогаш не ги заменува редовните механички тестови кои исто така ги земаат предвид промените во микроструктурата и составот на легурите.
Слика 3 Оптоварувачка ќелија за тестови на истегнување со електрохемиско in situ полнење на примерокот со водород. Слика: Fraunhofer IWM
Досега презентираните методи за тестирање се погодни за одредување на долгорочните ограничувања на товарот за материјалите и го илустрираат ризикот од одложен отказ со статичко полнење. Сепак, водородната елиминација ги менува и својствата на материјалот при краткорочни динамички оптоварувања. Значи, ширењето на пукнатината на замор се зголемува со содржината на водород. Понатаму, енергијата на ударот и механичките параметри на фрактурата како што се J-интегралот или критичниот интензитет на стрес KIC може да се намалат со зголемување на содржината на водород.
Заклучок
Не постои генерално валидна критична концентрација на водород што води до водородна елиминација. Ова е различно за секој материјал, секоја структурна состојба и секоја стресна ситуација и може да се утврди само во врска со механички тестови. Особеност на водородната елиминација е тоа што водородот полека дифундира во компонентата во области со висок напон на истегнување и може да доведе до започнување на пукнатина таму дури и под статички оптоварувања под точката на принос. Меѓутоа, водородната елиминација не е ограничена на статички оптоварувања; може да се очекува деградација на својствата на материјалот со циклични и динамички оптоварувања. Методите за тестирање за откривање на растворливост на водород се веќе стандардизирани. Во зависност од условите за примена на компонентата, амбиенталните услови мора да бидат мапирани во тестовите. За ова е погодно интиуално полнење со водород.