موضوع مقاله: تردش هیدروژنی | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # تردش هیدروژنی | مقدمه: اطلاعات اساسی در رابطه با تردی هیدروژنی فولاد، از حدود ۱۴۰ سال پیش شناخته شده‌است.در اصل، این هیدروژن اتمی نفوذ کننده است که برای سختی آهن و فولاد مضر است. | ## بخش 1: تردش هیدروژنی | در فولادها، یون‌های قابل انتشار از آبی تهیه می‌شوند که معمولاً توسط یک فرایند مرطوب الکتروشیمیایی مانند آبکاری تولید می‌شود. این پدیده کاملاً با فرایند حمله هیدروژنی که در دماهای بالا صورت می‌گیرد متمایز است (فولادها در دمای بالای ۴۰۰ درجه سلسیوس مورد حمله گاز هیدروژن قرار می‌گیرند). برای رخ دادن این پدیده، ترکیبی از سه شرط زیر لازم است: حضور و نفوذ اتم‌ها یا یون‌های هیدروژن ماده مستعد تنش هیدروژن قابل نفوذ می‌توانند هنگام عملیات‌هایی مثل شکل دهی، آبکاری، اندودن یا تمیزکاری تولید شوند. رایج‌ترین علل این نوع شکست، آبکاری کنترل نشده یا جوشکاری بد با الکترودهای مرطوب هستند. همچنین ممکن است هیدروژن با مرور زمان (تردی خارجی)، قرار گرفتن در معرض محیط (خاک و مواد شیمیایی از جمله آب)، فرایندهای خوردگی (خصوصا خوردگی گالوانی) از جمله خوردگی یک پوشش و حفاظت کاتدی، وارد شود. این اتم‌ها تقریباً در میان اتم‌های حل شونده متحرک هستند و چند دقیقه پس از تولید شدن، از محل تولید نفوذ می‌کنند. تاریخچه پدیده تردی هیدروژنی برای نخستین بار توسط جانسون در سال ۱۸۷۵ میلادی تشریح شد. بنابراین می‌توان با جلوگیری از ورود هیدروژن به فولاد یا بی حرکت کردن آن، اثرات مضر آن را کاهش داد. مکانیزم‌ها تردی هیدروژنی فرایندی پیچیده‌است شامل میکرو مکانیسم‌های متمایزی که لزوماً همه آنها وجود ندارند. این مکانیسم‌ها شامل تشکیل هیدرید‌های ترد، ایجاد حفره‌هایی که منجر به ایجاد حباب‌های فشار بالا، افزایش تجزیه در سطوح داخلی و قابلیت تغییر شکل در نوک ترک‌ها شود که به گسترش ترک‌ها کمک می‌کند. مکانیسم‌های بسیاری ارائه شده‌اند و مورد بررسی قرار گرفته‌اند که تردی فلزات را هنگام حل شدن هیدروژن قابل نفوذ در آن‌ها توضیح دهند. از آن‌جا که هیدروژن متحرک و قابل نفوذ است، این پدیده فقط هنگامی رخ می‌دهد که الف) هیدروژن در تله‌های میکروسکوپی گرفته شود، ب) این تله‌ها باعث شکنندگی شوند. در سال‌های گذشته این مسئله مورد تأیید قرار گرفته‌است که تردی هیدروژنی یک پدیده پیچیده‌است و به محیط و جنس ماده بستگی دارد و هیچ مکانیسمی در آن به صورت منحصر به فرد عمل نمی‌کند. فشار داخلی: گونه‌های جذب شده هیدروژن، دوباره با هم ترکیب می‌شوند تا مولکول‌های هیدروژن را تشکیل دهند. افزایش این فشار می‌تواند شکل‌پذیری، سختی و مقاومت کششی فلز را کاهش دهد تا نقطه‌ای که ترک گسترش پیدا کند. شکل‌پذیری تقویت شده موضعی هیدروژنی: هنگامی که تولید و حرکت نابجایی‌ها تقویت شده و باعث تغییر شکل موضعی مانند تغییر شکل در نوک ترک و گسترش آن می‌شود، ظاهر شکست ترد می‌شود. کاهش انتشار نابجایی بر اثر هیدروژن: شبیه‌سازی دینامیک مولکولی، یک انتقال از شکل‌پذیری به تردی را نشان می‌دهد که این انتقال، حاصل از توقف حرکت نابجایی‌ها در نوک ترک توسط هیدروژن حل شده‌است. تجزیه تقویت شده هیدروژنی: افزایش حلالیت هیدروژن در محدوده استحکام کششی، برای مثال در نوک ترک یا نقاطی با مقاومت کششی داخلی یا در محدوده کششی نابه جایی لبه ای، استحکام تسلیم را به صورت موضعی کاهش می‌دهد. تشکیل هیدرید فلز: تشکیل هیدریدهای ترد از ماده مادر به ترک‌ها این اجازه را می‌دهد که به صورت ترد گسترش پیدا کنند. | ## بخش 2: تردش هیدروژنی | این مشکل منحصراً به آلیاژهای وانادیم اختصاص دارد ولی معمولاً اکثر آلیاژها هیدرید تشکیل نمی‌دهند. تغییر فاز: این برای موادی رخ می‌دهد که در حضور هیدروژن، فاز جدیدشان شکل‌پذیری کمتری دارد. مواد مستعد هیدروژن ترکیبات متنوعی شامل فولاد، آلومینیوم (فقط در دمای بالا) و تیتانیوم را ترد می‌کند. علیرغم اینکه فلزات آستمپر شده در مقابل تردی هیدروژنی مقاومت نشان می‌دهند، آهن آستمپر شده نیز در معرض این پدیده است. ناسا بررسی کرد که کدام فلزات در معرض ترد شدن هستند و کدام فقط در معرض حمله هیدروژنی دمابالا هستند: آلیاژهای نیکل، فولادهای زنگ نزن آستنیتی، آلومینیوم و آلیاژهای آن. فولاد فولاد با استحکام کششی نهایی کمتر از ۱۰۰۰ مگاپاسکال، یا سختی کمتر از 32 HRC، عموماً در معرض تردی هیدروژنی در نظر گرفته نمی‌شود. به عنوان نمونه‌ای از تردی شدید هیدروژنی، کشیدگی هنگام شکست نمونه‌های صیقلی در معرض هیدروژن فشار بالا، از ۱۷٪ به ۱٫۷٪ کاهش پیدا کرد. هر چه استحکام فولاد بیشتر باشد، چقرمگی شکست کم می‌شود و احتمال شکست در اثر تردی هیدروژنی افزایش می‌یابد. در فولادهای استحکام بالا، سختی بالای 32 HRC می‌تواند در معرض شکست زودهنگام بر اثر تردی هیدروژنی بعد از فرایندهای آبکاری که هیدروژن تولید می‌کنند، باشد. شکست‌های بسیار زیادی در فولادهای درجه سختی 32-36 HRC و بالاتر گزارش شده‌است؛ بنابراین قطعات با این درجه سختی باید هنگام کنترل کیفیت باید بررسی گردند. مس آلیاژهای مس که در ترکیبات آنها اکسیژن حضور دارد، در حضور هیدروژن داغ ترد می‌شوند. هیدروژن در مس نفوذ می‌کند و با ترکیب مس اکسید واکنش می‌دهد و آب تولید می‌کند، که باعث ایجاد حباب‌های فشار بالا در مرزهای دانه می‌شود. این فرایند باعث می‌شود دانه‌ها از هم دور شوند و با عنوان تردی بخار شناخته می‌شود. وانادیم، نیکل و تیتانیوم تعداد زیادی از آلیاژهای وانادیم نیکل و تیتانیوم مقدار قابل توجهی از هیدروژن را جذب می‌کنند. این می‌تواند منجر به انبساط حجم زیاد و آسیب به ساختار بلوری شود و آلیاژ را بسیار ترد کند. این مسئله خاص هنگام جستجو برای آلیاژهای غیر پالادیوم برای استفاده در غشای جداسازی هیدروژن، اهمیت پیدا می‌کند. خستگی در حالی که بیشتر شکست‌ها از طریق شکست سریع بوده‌است، شواهد تجربی نشان می‌دهد که هیدروژن می‌تواند بر ویژگی‌های خستگی فولادها تأثیر بگذارد. با توجه به مکانیسم‌های ارائه شده برای تردی، این مسئله برای شکست سریع کاملاً مورد انتظار است.به‌طور کلی، هیدروژن تأثیر زیادی بر خستگی تنش بالا و سیکل پایین و تأثیر کمی بر خستگی سیکل بالا دارد. هنگام استفاده از قطعه، هیدروژن می‌تواند در فلز از طریق خوردگی مرطوب یا استفاده نادرست از اقدامات حفاظتی مثل حفاظت کاتدی حل شود. | ## بخش 3: تردش هیدروژنی | در یک مورد از شکست‌ها هنگام ساخت و ساز میله‌های گالوانیزه پل سن فرنسیسکو-اوکلند ۵ سال قبل از تحت کشش قرار گرفتن مرطوب مانده بودند. یک مورد دیگر از تردی به هنگام ساخت، جوشکاری ضعیف با قوس الکتریکی است که در آن هیدروژن از طریق رطوبت آزاد می‌شود، مثل پوشش الکترودهای جوشکاری یا میله‌های جوشکاری مرطوب.برای به حداقل رساندن این اتفاق، الکترودهای ویژه کم هیدروژن در جوشکاری فولادهای مستحکم استفاده می‌شود. جدا از جوشکاری با قوس الکتریکی، رایج‌ترین مشکلات مربوط به فرایندهای شیمیایی یا الکتروشیمیایی است که یون‌های هیدروژن در سطح تولید می‌کنند و به سرعت در فلز حل می‌شوند. یکی از این واکنش‌های شیمیایی شامل سولفید هیدروژن در ترک خوردگی سولفید بر اثر تنش است که مشکلی مهم برای صنعت نفت و گاز است. پس از یک فرایند تولید که ممکن است باعث نفوذ هیدروژن شود، قطعه باید پخته شود تا هیدروژن حذف یا بی حرکت شود. جلوگیری می‌توان به روش‌های مختلفی از تردی هیدروژنی جلوگیری کرد، که همه آنها متمرکز بر به حداقل رسانیدن تماس فلز و هیدروژن به خصوص هنگام ساخت و الکترولیز آب است. از فرایندهای ترد کننده مثل اسیدشویی و همچنین افزایش تماس با عناصری مثل سولفور و فسفات باید جلوگیری کرد. در صورتی که قطعه هنوز ترک نخورده، تردی هیدروژنی می‌تواند با حذف منبع هیدروژن و خارج کردن هیدروژن از فلز از طریق عملیات حرارتی، به حالت قبلی خود بازگردد. البته این روش همیشه مؤثر نیست و برای اثرگذاری، باید در دما و زمان مناسب انجام گیرد. تست‌هایی از قبیل ASTM F1624 می‌توانند حداقل زمان پختن را مشخص کنند) به وسیله طرح آزمایش، می‌توان از نمونه‌های کمی برای این آزمایش استفاده کرد). هنگام جوشکاری، فلز را معمولاً قبل یا بعد گرم کردن وارد عملیات می‌کنند تا قبل از هر آسیبی، هیدروژن از فلز خارج شود. این کار معمولاً برای آلیاژهای مستحکم و فولادهای کم آلیاژ مثل آلیاژهای کروم، مولیبدن و وانادیم انجام می‌شود. با توجه با زمانی که برای تشکیل مولکول هیدروژن از اتم‌های آن لازم است، ترک هیدروژنی بر اثر جوشکاری بیشتر از ۲۴ ساعت پس از عملیات جوشکاری اتفاق می‌افتد. این یک مقاومت ذاتی ایجاد می‌کند و نیاز به انجام فرایند برای مقاومت در برابر تردی هیدروژنی را کاهش می‌دهد. فلزات و آلیاژهای خاصی مستعد این پدیده هستند و انتخاب ماده‌ای که خواص مطلوب را داشته باشد و همچنین تحت تأثیر این پدیده قرار نمی‌گیرد، یک راه حل بهینه است. تحقیقات بسیاری به منظور تهیه لیستی از این مواد انجام شده‌است.تست‌هایی از قبیل ASTM F1624 می‌توانند برای رتبه‌بندی آلیاژها و پوشش‌ها هنگام انتخاب مواد استفاده شوند. در حالت ایدئال، نمونه‌ها باید از نزدیک‌ترین جنس ممکن ساخته شود، زیرا ساخت تأثیر زیادی بر مقاومت در برابر این پدیده دارد. نمونه‌هایی از تخریب از طریق تردی هیدروژنی در سال ۲۰۱۳ میلادی، شش ماه قبل از افتتاحیه، دهانه شرقی پل خلیج اوکلند هنگام آزمایش تخریب شد. | ## جمع‌بندی | این تخریب تنها پس از دو هفته رخ داد و منبع هیدروژن به احتمال زیاد، محیط بوده‌است.