تردی هیدروژنی
تردی هیدروژنی که به عناوین ترک ناشی از هیدروژن و ترک القایی توسط هیدروژن نیز شناخته می شود، پدیده ای است که تردشدن یک فلز را توسط هیدروژن "نفوذکننده" توصیف می‌کند. اطلاعات اساسی در رابطه با تردی هیدروژنی فولاد، از حدود 140 سال پیش شناخته شده است.در اصل،این هیدروژن اتمی نفوذ کننده است که برای سختی آهن و فولاد مضر است. این پدیده در دما های پایین رخ می دهد. اکثر فلزات در دماهای بالای 150 درجه سلسیوس، در برابر تردی هیدروژنی مقاوم هستند.
در فولادها، یون های قابل انتشار از آبی تهیه می شوند که معمولا توسط یک فرایند مرطوب الکتروشیمیایی مانند آبکاری تولید می شود. این پدیده کاملا با فرایند حمله هیدروژنی که در دماهای بالا صورت می گیرد متمایز است(فولادها در دمای بالای 400 درجه سلسیوس مورد حمله گاز هیدروژن قرار می گیرند).
برای رخ دادن این پدیده، ترکیبی از سه شرط زیر لازم است:هیدروژن قابل نفوذ می توانند هنگام عملیات هایی مثل شکل دهی، آبکاری، اندودن و یا تمیزکاری تولید شوند. رایج ترین علل این نوع شکست، آبکاری کنترل نشده یا جوشکاری بد با الکترودهای مرطوب هستند. این عملیات ها، یون های هیدروژن تولید میکنند که در فلز حل می شوند. هم‌چنین ممکن است هیدروژن با مرور زمان (تردی خارجی) ، قرار گرفتن در معرض محیط (خاک و مواد شیمیایی از جمله آب)، فرایند های خوردگی (خصوصا خوردگی گالوانی) از جمله خوردگی یک پوشش و حفاظت کاتدی، وارد شود. اتم های هیدروژن بسیار کوچک هستند و به صورت بین نشینی در فولاد نفوذ می کنند. این اتم ها تقریبا در میان اتم های حل شونده متحرک هستند و چند دقیقه پس از تولید شدن،از محل تولید نفوذ می کنند.
تاریخچه
پدیده تردی هیدروژنی برای نخستین بار توسط جانسون در سال ۱۸۷۵ میلادی تشریح شد. نتایج زیر از مقاله او استخراج می شود.بنابراین می توان با جلوگیری از ورود این هیدروژن به فولاد و یا بی حرکت کردن آن، اثرات مضر آن را کاهش داد.
تردی هیدروژنی فرایندی پیچیده است شامل میکرومکانیسم های متمایزی که لزوما همه آنها وجود ندارند. این مکانیسم ها شامل تشکیل هیدرید های ترد، ایجاد حفره هایی که منجر به ایجاد حباب های فشار بالا، افزایش تجزیه در سطوح داخلی و قابلیت تغییر شکل در نوک ترک ها شود که به گسترش ترک ها کمک می کند. مکانیسم های بسیاری ارائه شده اند و مورد بررسی قرار گرفته اند 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 می دهد که الف) هیدروژن در تله های میکروسکوپی گرفته شود، ب) این تله ها باعث شکنندگی شوند. در سال های گذشته این مسئله مورد تایید قرار گرفته است که تردی هیدروژنی یک پدیده پیچیده است و به محیط و جنس ماده بستگی دارد و هیچ مکانیسمی در آن به صورت منحصر به فرد عمل نمی کند.= مواد مستعد = هیدروژن ترکیبات متنوعی شامل فولاد، آلومینیوم(فقط در دمای بالا) و تیتانیوم را ترد می کند. علیرغم اینکه فلزات آستمپر شده در مقابل تردی هیدروژنی مقاومت نشان می دهند، 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: آلیاژ های نیکل، فولاد های زنگ نزن آستنیتی، آلومینیوم و آلیاژ های آن .و مس (از جمله آلیاژ های آن). همچنین آزمایشگاه ملی سندیا یک راهنمای جامعه تولید کرده است.
فولاد با استحکام کششی نهایی کمتر از 1000 مگاپاسکال، یا سختی کمتر از 32 HRC،عموما در معرض تردی هیدروژنی در نظر گرفته نمی شود. به عنوان نمونه ای از تردی شدید هیدروژنی،کشیدگی هنگام شکست نمونه های صیقلی در معرض هیدروژن فشار بالا، از 17% به 1.7% کاهش پیدا کرد.
هر چه استحکام فولاد بیشتر باشد، چقرمگی شکست کم می شود و احتمال شکست در اثر تردی هیدروژنی افزایش می یابد. در فولاد های استحکام بالا، سختی بالای 32 HRC می تواند در معرض شکست زودهنگام بر اثر تردی هیدروژنی بعد از فرایند های آبکاری که هیدروژن تولید می کنند، باشد. آنها همچنین پس از هفته ها تا دهه ها قرار گرفتن در سرویس، به دلیل تجمع هیدروژن حاصل از حفاظت کاتدی یا منابع دیگر، دچار شکست طولانی مدت می شوند. شکست های بسیار زیادی در فولاد های درجه سختی 32-36 HRC و بالاتر گزارش شده است. بنابراین قطعات با این درجه سختی باید هنگام کنترل کیفیت باید بررسی گردند.
آلیاژ های مس که در ترکیبات آنها اکسیژن حضور دارد، در حضور هیدروژن داغ ترد می شوند. هیدروژن در مس نفوذ می کند و با ترکیب مس اکسید واکنش میدهد و آب تولید می کند، که باعث ایجاد حباب های فشار بالا در مرز های دانه می شود. این فرایند باعث می شود دانه ها از هم دور شوند و با عنوان تردی بخار شناخته می شود.
تعداد زیادی از آلیاژ های وانادیم نیکل و تیتانیوم مقدار قابل توجهی از هیدروژن را جذب می کنند. این می تواند منجر به انبساط حجم زیاد و آسیب به ساختار بلوری شود و آلیاژ را بسیار ترد کند. این مساله خاص هنگام جستجو برای آلیاژهای غیر پالادیوم برای استفاده در غشای جداسازی هیدروژن، اهمیت پیدا می کند.
= خستگی = در حالی که بیشتر شکست ها از طریق شکست سریع بوده است، شواهد تجربی نشان می دهد که هیدروژن می تواند بر ویژگی های خستگی فولاد ها تاثیر بگذارد. با توجه به مکانیسم های ارائه شده برای تردی، این مسئله برای شکست سریع کاملا مورد انتظار است. به طور کلی، هیدروژن تاثیر زیادی بر خستگی تنش بالا و سیکل پایین و تاثیر کمی بر خستگی سیکل بالا دارد.
= منابع هیدروژن = هنگام تولید، هیدروژن را می توان از طریق فرایند هایی مثل اندودن فسفات، اسیدشویی، آبکاری الکتریکی، ریخته گری،کربن سازی، تمیزکردن سطح،ماشینکاری الکتروشیمیایی،جوشکاری و عملیات های حرارتی در قطعات نفوذ داد.
هنگام استفاده از قطعه، هیدروژن می تواند در فلز از طریق خوردگی مرطوب و یا استفاده نادرست از اقدامات حفاظتی مثل حفاظت کاتدی حل شود. در یک مورد از شکست ها هنگام ساخت و ساز میله های گالوانیزه پل سن فرنسیسکو-اوکلند 5 سال قبل از تحت کشش قرار گرفتن مرطوب مانده بودند. واکنش روی و آب باعث نفوذ هیدروژن داخل فولاد شد.
یک مورد دیگر از تردی به هنگام ساخت، جوشکاری ضعیف با قوس الکتریکی است که در آن هیدروژن از طریق رطوبت آزاد می شود، مثل پوشش الکترود های جوشکاری یا میله های جوشکاری مرطوب. برای به حداقل رساندن این اتفاق، الکترود های ویژه کم هیدروژن در جوشکاری فولاد های مستحکم استفاده می شود.
جدا از جوشکاری با قوس الکتریکی، رایج ترین مشکلات مربوط به فرایند های شیمیایی یا الکتروشیمیایی است که یون های هیدروژن در سطح تولید می کنند و به سرعت در فلز حل می شوند. یکی از این واکنش های 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 = می توان به روش های 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 فرایند های ترد کننده مثل اسیدشویی و همچنین افزایش تماس با عناصری مثل سولفور و فسفات باید جلوگیری کرد. استفاده از محلول مناسب برای آبکاری نیز می تواند از تردی هیدروژنی جلوگیری کند.
در صورتی که قطعه هنوز ترک نخورده، تردی هیدروژنی می تواند با حذف منبع هیدروژن و خارج کردن هیدروژن از فلز از طریق عملیات حرارتی، به حالت قبلی خود بازگردد. عملیاتی که در آن تردی از بین می رود، پختن(انگلیسی:Low Hydrogen Annealing) نام دارد و برای غلبه بر ضعف روش هایی مثل آبکاری که باعث نفوذ هیدروژن می شود، استفاده می شود. البته این روش همیشه موثر نیست و برای اثرگذاری، باید در دما و زمان مناسب انجام گیرد. تست هایی از قبیل ASTM F1624 می توانند حداقل زمان پختن را مشخص کنند )به وسیله طرح آزمایش، می توان از نمونه های کمی برای این آزمایش استفاده کرد). سپس از همان آزمایش برای کنترل کیفیت پخت استفاده می شود.
هنگام جوشکاری، فلز را معمولا قبل و یا بعد گرم کردن وارد عملیات می کنند تا قبل از هر آسییی، هیدروژن از فلز خارج شود. این کار معمولا برای آلیاژ های مستحکم و فولاد های کم آلیاژ مثل آلیاژ های کروم، مولیبدن و وانادیم انجام می شود. با توجه با زمانی که برای تشکیل مولکول هیدروژن از اتم های آن لازم است، ترک هیدروژنی بر اثر جوشکاری بیشتر از 24 ساعت پس از عملیات جوشکاری اتفاق می افتد.
یکی از راه های دیگر جلوگیری از تردی هیدروژنی، انتخاب مواد مناسب است. این یک مقاومت ذاتی ایجاد می کند و نیاز به انجام فرایند برای مقاومت در برابر تردی هیدروژنی را کاهش می دهد. فلزات و آلیاژ های خاصی مستعد این پدیده هستند و انتخاب ماده ای که خواص مطلوب را داشته باشد و هم‌چنین تحت تاثیر این پدیده قرار نمی گیرد، یک راه حل بهینه است. تحقیقات بسیاری به منظور تهیه لیستی از این مواد انجام شده است.تست هایی از قبیل ASTM F1624 می توانند برای رتبه بندی آلیاژ ها و پوشش ها هنگام انتخاب مواد استفاده شوند. همچنین این تست ها می توانند حین کنترل کیفیت استفاده شوند.
= آزمایش ها = بیشتر روش های تحلیلی برای تردی هیدروژنی شامل ارزیابی اثرات 1) هیدروژن داخلی حاصل از تولید یا 2) منابع خارجی هیدروژن مثل حفاظت کاتدی است. برای فولاد، آزمایش نمونه هایی حداقل به سختی نمونه های آزمایشگاهی مورد توجه است. در حالت ایده آل، نمونه ها باید از نزدیک ترین جنس ممکن ساخته شود، زیرا ساخت تاثیر زیادی بر مقاومت در برابر این پدیده دارد.
= نمونه هایی از تخریب از طریق تردی هیدروژنی =