Металдардың сутекпен әсер етуінен серпімділігінің төмендеуі

Кіріспе

Металлдың сутекке ұшырағанда серпімділігінің төмендеуі

Сутекпен сыну (HE), сондай-ақ сутек көмегімен жарылу немесе сутек тудырған жарылу (HIC) деп те аталады, сіңірілген сутек салдарынан металлдың серпімділігінің төмендеуі болып табылады. Сутек атомдары кішкентай және қатты металдардың ішіне өте алады. Сіңірілгеннен кейін сутек металдағы жарықтардың басталуы және таралуы үшін қажетті кернеуді төмендетеді, нәтижесінде металл сынық болады. Сутекпен сыну ең көбінесе болаттарда, сондай-ақ темірде, никельде, титанда, кобальтта және олардың қорытпаларында байқалады. Мыс, алюминий және тот баспайтын болаттар сутекпен сынуға аз бейім. Сутекпен сынудың сипаты туралы негізгі мәліметтер 19 ғасырдан бері белгілі. Сутекпен сыну үшін атомдық ("диффузияға қабілетті") сутектің және жарық өсуін тудыратын механикалық кернеудің болуы қажет, бірақ бұл кернеу сырттан қолданылған немесе қалдық болуы мүмкін. Сутекпен сыну төмен жылдамдықтарда күшейеді. Жалпы алғанда, жоғары беріктікті болаттар орташа беріктікті болаттарға қарағанда сутекпен сынуға көбірек бейім. Металдар сутекті екі түрлі көзден алады: газ тәрізді сутектен және металл бетінде химиялық жолмен пайда болатын сутектен. Газ тәрізді сутек молекулалық сутек болып табылады және ыстық сутекпен шабуылға себеп болса да, сынуға себеп болмайды (төменде қараңыз). Сынуға себеп болатыны – химиялық шабуылдан пайда болатын атомдық сутек, себебі атомдық сутек бөлме температурасында металға тез сіңеді. Сутек болаттарды сынуға себеп болатын механизмдер (олар көп) толыққанды түсіндірілмеген және олар зерттеліп жатыр. Соңғы жылдары сутекпен сынудың күрделі, материалға және ортаға тәуелді процесс екендігі қабылданды, сондықтан ешбір механизм ғана толығымен қолданылмайды. Сутекпен күшейтілген жергілікті пластикалық деформация (HELP): Сутек жарық ұшындағы ядролардың пайда болуын және дислокациялардың қозғалысын арттырады. HELP жарық ұшындағы жергілікті сортты бұзу арқылы жарықтардың таралуына әкеледі, ал айналадағы материалда деформация аз болады, бұл сыныққа сынықтанған көрініс береді. Сутекпен күшейтілген дезинтеграция (HEDE): Интерстициалды сутек металл атомдарының бөлінуіне қажетті кернеуді төмендетеді. HEDE тек сутектің жергілікті концентрациясы жоғары болған кезде ғана пайда болады, мысалы, жарық ұшында, кернеу концентраторларында немесе шеттік дислокациялардың кернеу өрісінде сутектің ерігіштігінің жоғарылауы салдарынан. алюминий (тек жоғары температурада) және титан. Ауыстырылған темір де сезімтал, бірақ ауыстырылған болат (және мүмкін басқа ауыстырылған металдар) сутекпен сынуға қарсы кедергіні арттырады. NASA металдардың қайсысы сынуға бейім және қайсысы ыстық сутекпен шабуылға бейім екенін қарастырды: никель қорытпалары, аустениттік тот баспайтын болаттар, алюминий және қорытпалары, мыс (қорытпаларды қоса алғанда, мысалы, бериллий мысы).]] 1000 МПа-дан (~145 000 пса) төмен соңғы тартылу беріктігіне немесе Роквелл қаттылық шкаласы бойынша HRC 32-ден төмен қаттылығы бар болаттар, әдетте сутекпен сынуға бейім деп есептелмейді. Мысалы, 17-4 PH жауынды шынықтырылған тот баспайтын болаттың сынақтан өткендегі созылуы жоғары қысымды сутекке ұшыраған тегіс үлгілерде 17%-дан 1,7%-ға дейін төмендегені анықталды.

Hydrogen embrittlement (HE), also known as hydrogen assisted cracking or hydrogen induced cracking (HIC), is a reduction in the ductility of a metal due to absorbed hydrogen. Hydrogen atoms are small and can permeate solid metals. Once absorbed, hydrogen lowers the stress required for cracks in the metal to initiate and propagate, resulting in embrittlement. Hydrogen embrittlement occurs most notably in steels, as well as in iron, nickel, titanium, cobalt, and their alloys. Copper, aluminium, and stainless steels are less susceptible to hydrogen embrittlement. The essential facts about the nature of hydrogen embrittlement have been known since the 19th century. Hydrogen embrittlement requires the presence of both atomic ("diffusible") hydrogen and a mechanical stress to induce crack growth, although that stress may be applied or residual. Hydrogen embrittlement increases at lower strain rates. In general, higher strength steels are more susceptible to hydrogen embrittlement than mid strength steels. Metals can be exposed to hydrogen from two types of sources: gaseous hydrogen and hydrogen chemically generated at the metal surface. Gaseous hydrogen is molecular hydrogen and does not cause embrittlement though it can cause hot hydrogen attack (see below). It is the atomic hydrogen from chemical attack which causes embrittlement because the atomic hydrogen dissolves quickly into the metal at room temperature. The mechanisms (there are many) by which hydrogen causes embrittlement in steels are not comprehensively understood and continue to be explored and studied. There is a great variety of mechanisms that have been proposed In recent years, it has become widely accepted that HE is a complex, material and environmental dependent process, so that no single mechanism applies exclusively. Hydrogen enhanced localised plasticity (HELP): Hydrogen increases the nucleation and movement of dislocations at a crack tip. HELP results in crack propagation by localised ductile failure at the crack tip with less deformation occurring in the surrounding material, which gives a brittle appearance to the fracture. Hydrogen enhanced decohesion (HEDE): Interstitial hydrogen lowers the stress required for metal atoms to fracture apart. HEDE can only occur when the local concentration of hydrogen is high, such as due to the increased hydrogen solubility in the tensile stress field at a crack tip, at stress concentrators, or in the tension field of edge dislocations. aluminium (at high temperatures only), and titanium. Austempered iron is also susceptible, though austempered steel (and possibly other austempered metals) displays increased resistance to hydrogen embrittlement. NASA has reviewed which metals are susceptible to embrittlement and which only prone to hot hydrogen attack: nickel alloys, austenitic stainless steels, aluminium and alloys, copper (including alloys, e. g. beryllium copper).]] Steel with an ultimate tensile strength of less than 1000 MPa (~145,000 psi) or hardness of less than HRC 32 on the Hardness Rockwell Scale is not generally considered susceptible to hydrogen embrittlement. As an example of severe hydrogen embrittlement, the elongation at failure of 17 4PH precipitation hardened stainless steel was measured to drop from 17% to only 1.7% when smooth specimens were exposed to high pressure hydrogen

Мыс

Қысқылтекті мыс қорытпалары ыстық сутегіне ұшыраса, қатайып, сынығыш бола алады. Сутек мыс арқылы диффузияланып, оның ішіндегі қоспалармен реакцияға түсіп, 2 металл Cu атомын және (суды) түзетін болады. Содан кейін бұл қысымды көпіршіктердің дән шекараларында пайда болуына себеп болады. Бұл процесс дәншелердің бір-бірінен сөзбе-сөз ығысуына әкелуі мүмкін және оны бумен сынығып кету деп атайды (өйткені бу тікелей мыс кристалл торында түзіледі, сыртқы будың әсерінен емес).

Ванадий, никель және титан

Ванадий, никель және титан қорытпалары жоғары сутегі ерігіштігіне ие, сондықтан сутегінің көп мөлшерін сіңіре алады. Бұл гидридтердің түзілуіне алып келуі мүмкін, нәтижесінде көлемнің біркелкі емес кеңеюіне және пластикалық қасиеттерінің төмендеуіне (өйткені металл гидридтері – нағыз сынғыш керамикалық материалдар) себеп болады. Бұл, әсіресе, сутегіні бөлу мембраналарында пайдалану үшін палладий негізіндегі емес қорытпаларды іздеу кезінде маңызды мәселе болып табылады.

Шаршау

Көптеген жағдайлардағы сәтсіздіктер жылдам сыну арқылы болғанымен, сутегі болаттардың шаршау қасиеттеріне де әсер ететінін көрсететін тәжірибелік деректер бар. Бұл, жылдам сынуға қатысты ұсынылған механизмдердің мәніне орай, күтілетін нәрсе. Сан-Франциско-Окленд шығанағы көпірінің құрылысы кезінде болған бір жағдайда, 5 жыл бойы ылғалдаудан кейін цинкпен қапталған (яғни, мырышталған) таяқшалар кернеуге ұшыратылды. Мырыш пен судың реакциясы болатқа сутегін енгізді. Арканың жоғары температуралы плазмасында атомдық сутегінің пайда болуын болдырмау үшін, дәнекерлеу таяқшаларын қолданар алдында тиісті температурада және уақыт аралығында пеште мұқият кептіру қажет. Сутегінің пайда болуын азайтудың тағы бір жолы – жоғары беріктікті болаттарды дәнекерлеу үшін арнайы, сутегі аз электродтарды пайдалану. Аркалық дәнекерлеуден басқа, ең көп кездесетін мәселелер химиялық немесе электрохимиялық процестерден туындайды. Бұл процестер сутегі иондарын немесе суды тотықтыру арқылы металл бетінде сутегі атомдарын жасайды, олар металл ішіне жылдам сіңеді. Мұндай химиялық реакциялардың бірі – сульфидтік стресс-коррозияда (SSC) сутегі сульфидінің қатысуы, бұл мұнай және газ өнеркәсібі үшін маңызды мәселе. Сутегінің металлға енуіне мүмкіндік беретін өндіріс процесінен немесе өңдеуден кейін, компонентті сутегін шығару немесе бекіту үшін қыздыру керек. ASTM F1624 сияқты сынақтарды ең аз қыздыру уақытын анықтау үшін пайдалануға болады (тәжірибелерді жобалау арқылы, салыстырмалы түрде аз үлгілерді пайдаланып осы мәнді нақты анықтауға болады). Содан кейін сол сынақты сапаны бақылау үшін, әрбір партияның жеткілікті қыздырылғанын тексеруге болады. Дәнекерлеу кезінде, металлдың сутегін шығару үшін жиі алдын ала және кейін қыздыру жүргізіледі, бұл оның зиян келтіруіне бөгет жасайды. Бұл әсіресе жоғары беріктікті болаттар мен хром/молибден/ванадий қорытпалары сияқты төмен легирленген болаттар үшін маңызды. Сутегі атомдарын сутегі молекулаларына қайта біріктіруге уақыт қажет болғандықтан, дәнекерлеуден кейін 24 сағатқа дейін сутегінің жарылуы мүмкін. Бұл мәселенің алдын алудың тағы бір жолы – материалды дұрыс таңдау. Бұл процеске қарсы тұру қабілетін арттырады және өңдеуден кейінгі шаралардың немесе үнемі бақылаудың қажеттігін азайтады. Кейбір металдар мен қорытпалар осы мәселеге өте сезімтал, сондықтан қажетті қасиеттерін сақтай отырып, оған ең аз әсер ететін материалды таңдау оңтайлы шешім болады. Әртүрлі металдардың сутегімен үйлесімділігін анықтау үшін көптеген зерттеулер жүргізілді. ASTM F1624 сияқты сынақтарды материалды таңдау кезінде қорытпалар мен жабындарды бағалау үшін де пайдалануға болады (мысалы, жарылу шегінің сутегі көмегімен коррозиялық жарылу шегінен төмен екенін қамтамасыз ету үшін). Осындай сынақтарды өндірістегі материалдардың сапасын тез және салыстырмалы түрде бағалау үшін де қолдануға болады.

While most failures in practice have been through fast failure, there is experimental evidence that hydrogen also affects the fatigue properties of steels. This is entirely expected given the nature of the embrittlement mechanisms proposed for fast fracture. In one case of failure during construction of the San Francisco–Oakland Bay Bridge galvanized (i. e. zinc plated) rods were left wet for 5 years before being tensioned. The reaction of the zinc with water introduced hydrogen into the steel. To avoid atomic hydrogen formation in the high temperature plasma of the arc, welding rods have to be perfectly dried in an oven at the appropriate temperature and duration before use. Another way to minimize the formation of hydrogen is to use special low hydrogen electrodes for welding high strength steels. Apart from arc welding, the most common problems are from chemical or electrochemical processes which, by reduction of hydrogen ions or water, generate hydrogen atoms at the surface, which rapidly dissolve in the metal. One of these chemical reactions involves hydrogen sulfide in sulfide stress cracking (SSC), a significant problem for the oil and gas industries. After a manufacturing process or treatment which may cause hydrogen ingress, the component should be baked to remove or immobilize the hydrogen. Tests such as ASTM F1624 can be used to rapidly identify the minimum baking time (by testing using design of experiments, a relatively low number of samples can be used to pinpoint this value). Then the same test can be used as a quality control check to evaluate if baking was sufficient on a per batch basis. In the case of welding, often pre heating and post heating the metal is applied to allow the hydrogen to diffuse out before it can cause any damage. This is specifically done with high strength steels and low alloy steels such as the chromium/molybdenum/vanadium alloys. Due to the time needed to re combine hydrogen atoms into the hydrogen molecules, hydrogen cracking due to welding can occur over 24 hours after the welding operation is completed. Another way of preventing this problem is through materials selection. This will build an inherent resistance to this process and reduce the need of post processing or constant monitoring for failure. Certain metals or alloys are highly susceptible to this issue, so choosing a material that is minimally affected while retaining the desired properties would also provide an optimal solution. Much research has been done to catalog the compatibility of certain metals with hydrogen. Tests such as ASTM F1624 can also be used to rank alloys and coatings during materials selection to ensure (for instance) that the threshold of cracking is below the threshold for hydrogen assisted stress corrosion cracking. Similar tests can also be used during quality control to more effectively qualify materials being produced in a rapid and comparable manner.

Жер бетін қаптау

Қаптамалар металл негізбен және қоршаған ортамен арада кедергі ретінде қызмет етеді, сутек атомдарының енуіне тосқауыл қояды. Бұл қаптамаларды электролық қаптау, химиялық түрлендіру қаптамалары немесе органикалық қаптамалар сияқты әртүрлі техникалар арқылы жағуға болады. Қаптаманың таңдалуы металл түрі, жұмыс жағдайы және қолданылудың нақты талаптары сияқты факторларға байланысты. Электролық қаптау – металл бетіне қорғаныш қабатын жағу үшін кеңінен қолданылатын әдіс. Бұл процесте металл негіз металл иондары бар электролит ерітіндісіне батырылады. Электр тогы қолданылғанда, металл иондары тотығып, негізде металл қаптамасын құрайды. Электролық қаптау коррозияға төзімділікті арттыратын және сутек әсерінен сынуға бейімділікті азайтатын тамаша қорғаныш қабатын қамтамасыз ете алады. Химиялық түрлендіру қаптамалары – беткі қорғаныстың тағы бір тиімді әдісі. Бұл қаптамалар әдетте металл негіз бен химиялық ерітінді арасындағы химиялық реакциялар арқылы түзіледі. Түрлендіру қаптамасы металл бетімен химиялық реакцияға түседі, нәтижесінде жұқа, тығыз жабысатын қорғаныш қабаты пайда болады. Түрлендіру қаптамаларына хромат, фосфат және оксид қаптамалары жатады. Бұл қаптамалар ғана емес, сутек таралуына қарсы кедергі жасайды, сонымен қатар металлдың коррозияға төзімділігін де арттырады. Органикалық қаптамалар, мысалы, бояулар немесе полимерлік қаптамалар, сутек әсерінен сынуға қарсы қосымша қорғаныс ұсынады. Бұл қаптамалар металл беті мен орта арасында физикалық кедергі жасайды. Олар өте жақсы жабысу, икемділік және қоршаған орта факторларына төзімділікке ие. Органикалық қаптамаларды әртүрлі әдістермен жағуға болады, соның ішінде бүрку, суға батыру немесе ұнтақпен қаптау. Оларды сутекке қарсы тұруын арттыратын қосымша заттармен құрастыруға болады. Жылумен шашырылатын қаптамалар сутек әсерінен сынудың алдын алу контекстінде бірнеше артықшылықтар ұсынады. Бұл процесте қолданылатын қаптама материалдары көбінесе керамика немесе керамикалық қорытпалар сияқты сутек таралуына өте жақсы төзімді материалдардан жасалған. Бұл материалдар сутекті аз өткізеді, металл негізге сутек енуіне қарсы берік кедергі жасайды.

Coatings act as a barrier between the metal substrate and the surrounding environment, hindering the ingress of hydrogen atoms. These coatings can be applied through various techniques such as electroplating, chemical conversion coatings, or organic coatings. The choice of coating depends on factors such as the type of metal, the operating environment, and the specific requirements of the application. Electroplating is a commonly used method to deposit a protective layer onto the metal surface. This process involves immersing the metal substrate into an electrolyte solution containing metal ions. By applying an electric current, the metal ions are reduced and form a metallic coating on the substrate. Electroplating can provide an excellent protective layer that enhances corrosion resistance and reduces the susceptibility to hydrogen embrittlement. Chemical conversion coatings are another effective method for surface protection. These coatings are typically formed through chemical reactions between the metal substrate and a chemical solution. The conversion coating chemically reacts with the metal surface, resulting in a thin, tightly adhering protective layer. Examples of conversion coatings include chromate, phosphate, and oxide coatings. These coatings not only provide a barrier against hydrogen diffusion but also enhance the corrosion resistance of the metal. Organic coatings, such as paints or polymer coatings, offer additional protection against hydrogen embrittlement. These coatings form a physical barrier between the metal surface and the environment. They provide excellent adhesion, flexibility, and resistance to environmental factors. Organic coatings can be applied through various methods, including spray coating, dip coating, or powder coating. They can be formulated with additives to further enhance their resistance to hydrogen ingress. Thermally sprayed coatings offer several advantages in the context of hydrogen embrittlement prevention. The coating materials used in this process are often composed of materials with excellent resistance to hydrogen diffusion, such as ceramics or cermet alloys. These materials have a low permeability to hydrogen, creating a robust barrier against hydrogen ingress into the metal substrate.

Сутегінің сынығып кетуінен болатын елеулі ақаулар

2013 жылы, ашылуға алты ай қалғанда, Окленд шығанағы көпірінің шығыс бөлігі сынақтар кезінде істен шықты. Қызмет көрсетудің алғашқы екі аптасынан кейін көпірдің аралығындағы қиылыс бұрандаларында катастрофалық ақаулар орын алды, бұл ақаулар материалдың нашарлауына байланысты болды (толық мәліметтер жоғарыда).