تردی هیدروژنی به پدیدهای اطلاق میشود که در آن فلزات، بهویژه فولادهای با استحکام بالا، در اثر جذب و انتشار اتمهای هیدروژن، شکننده شده و ترک میخورند. این به طور قابل توجهی خواص مکانیکی فلز را کاهش می دهد و آن را بیشتر در معرض شکست تحت تنش قرار می دهد.
شکنندگی هیدروژن معمولاً زمانی اتفاق میافتد که فلزات در معرض هیدروژن قرار میگیرند، که ممکن است در طی فرآیندهای تولید (مانند جوشکاری یا آبکاری الکتریکی) یا در محیطهای هیدروژنی وارد شود.
اتم های هیدروژن به فلز نفوذ می کنند و با ریزساختار آن، به ویژه در مرزهای دانه، برهم کنش می کنند و تنش های داخلی ایجاد می کنند که شکل پذیری و چقرمگی فلز را کاهش می دهد.
حساسیت تردی هیدروژنی مواد مختلف
مواد | حساسیت تردی هیدروژنی | دلایل | موارد احتیاط |
فولاد با استحکام بالا | حساسیت بالا | مرزهای دانه و رسوبات فولاد با مقاومت بالا به شدت هیدروژن را جذب می کند و منجر به شکستگی شکننده می شود. | برای جلوگیری از نفوذ هیدروژن در فرآیندهایی مانند جوشکاری و ترشی توجه ویژه ای داشته باشید. |
فولاد کم آلیاژ | حساسیت متوسط | فولاد کم آلیاژ کمتر در برابر شکنندگی هیدروژنی حساس است، اما ترکیب آلیاژ و فرآیندهای عملیات حرارتی به طور قابل توجهی بر حساسیت آن تأثیر می گذارد. | عناصر آلیاژی و عملیات حرارتی مناسب را برای بهبود مقاومت در برابر شکنندگی هیدروژن انتخاب کنید. |
فولاد ضد زنگ | حساسیت متوسط به بالا | فولادهای زنگ نزن مارتنزیتی به دلیل استحکام و سختی بالا به شکنندگی هیدروژنی بسیار حساس هستند. فولادهای زنگ نزن آستنیتی به دلیل چقرمگی کمتر تحت تأثیر قرار می گیرند. | به خطر تردی هیدروژنی در فولادهای زنگ نزن مارتنزیتی توجه ویژه ای داشته باشید. فولادهای زنگ نزن آستنیتی نسبتاً ایمن هستند. |
آلیاژهای آلومینیوم | حساسیت کم | شکنندگی هیدروژن برای آلیاژهای آلومینیوم کمتر نگران کننده است، اگرچه آلیاژهای با استحکام بالا ممکن است در محیط های پر استرس دچار شکنندگی هیدروژنی شوند. | هنگام جوشکاری یا در محیط های پیچیده، به ویژه برای آلیاژهای آلومینیومی با مقاومت بالا، مراقب باشید. |
آلیاژهای تیتانیوم | حساسیت بالا | هیدروژن می تواند با تیتانیوم واکنش داده و هیدرید تیتانیوم را تشکیل دهد و استحکام و چقرمگی را کاهش دهد. | مراقب شکنندگی هیدروژن در آلیاژهای تیتانیوم در شرایط دمای بالا باشید و از محافظت مناسب در حین جوشکاری اطمینان حاصل کنید. |
آلیاژهای نیکل | حساسیت کم تا متوسط | آلیاژهای نیکل عموماً در برابر شکنندگی هیدروژنی مقاوم هستند، اما شرایط شدید همچنان ممکن است باعث شکنندگی شود. | در حالی که معمولاً مستعد شکنندگی هیدروژن نیست، هنوز هم باید در حین جوشکاری و پردازش شیمیایی اقدامات احتیاطی انجام شود. |
آلیاژهای مس | حساسیت کم | شکنندگی هیدروژن معمولاً برای آلیاژهای مس مشکلی ندارد، اگرچه آلیاژهای مس با مقاومت بالا یا محیطهایی با غلظت هیدروژن بالا ممکن است هنوز هم شکنندگی را تجربه کنند. | از خطرات شکنندگی هیدروژن در آلیاژهای مس در محیط هایی با غلظت هیدروژن بالا آگاه باشید. |
چدن | حساسیت بالا | چدن ذاتاً شکننده است و تحت تأثیر هیدروژن مستعد ترک خوردن است. | از قرار دادن چدن در محیط های با هیدروژن بالا بخصوص در شرایط دمای بالا یا جوشکاری خودداری کنید. |
علل تردی هیدروژنی
علل اصلی شکنندگی هیدروژن عبارتند از قرار گرفتن در معرض گاز هیدروژن، مانند هنگام جوشکاری، آبکاری، ترشی و در محیط های خورنده.
فولادهای با استحکام بالا به دلیل ساختار شبکهای که به اتمهای هیدروژن اجازه میدهد راحتتر نفوذ کنند، بیشتر مستعد ترد شدن هیدروژن هستند.
تنش های خارجی و پسماند می توانند شکنندگی هیدروژن را افزایش دهند.
محیط های با رطوبت بالا و غلظت هیدروژن بالا این موضوع را تشدید می کند.
عملیات حرارتی نامناسب یا عملیات سطحی که در طی آن هیدروژن به طور کامل حذف نمی شود نیز می تواند منجر به شکنندگی هیدروژن شود. عیوب ریز مواد و ترکیبات مختلف آلیاژ ممکن است حساسیت به تردی هیدروژنی را افزایش دهد.
فرآیند تردی هیدروژنی
فرآیند شکنندگی هیدروژن زمانی آغاز میشود که اتمهای هیدروژن وارد فلز میشوند و منتشر میشوند و در عیوب ریز تجمع مییابند که منجر به کاهش خواص مکانیکی، به ویژه کاهش شکلپذیری و چقرمگی میشود.
هیدروژن می تواند از طریق جوشکاری، ترشی، آبکاری الکتریکی و غیره وارد فلز شود و در مرزهای دانه، نابجایی ها و ترک های ریزساختار تجمع پیدا کند.
انباشته شدن هیدروژن پیوندهای اتمی را ضعیف می کند، تشکیل و انتشار ترک ها را افزایش می دهد و در نهایت منجر به شکستگی شکننده و شکست مواد می شود.
این فرآیند تحت تأثیر عواملی مانند دما، تنش و غلظت هیدروژن است که در مواد با مقاومت بالا و محیطهای غنی از هیدروژن شدت بیشتری دارد.
بنابراین، درک فرآیند شکنندگی هیدروژن برای انجام اقدامات مناسب مانند انتخاب مواد مناسب، کنترل عوامل محیطی و استفاده از تیمارهای سطحی برای جلوگیری از این پدیده بسیار مهم است.
جلوگیری از شکنندگی هیدروژن
اقدامات برای جلوگیری از شکنندگی هیدروژن شامل کاهش قرار گرفتن در معرض منابع هیدروژن، انتخاب مواد مناسب، بهینه سازی فرآیندهای جوشکاری، عملیات سطحی، کنترل عوامل محیطی و عملیات حرارتی مناسب است.
کلید جلوگیری از شکنندگی هیدروژن این است که از قرار گرفتن فلزات در محیط های با هیدروژن بالا، مانند استفاده از الکترودهای کم هیدروژن، بهبود فرآیندهای جوشکاری، و کنترل دمای جوشکاری جلوگیری شود. انتخاب مواد مقاوم در برابر هیدروژن مانند فولادهای کم کربن که چقرمگی خوبی دارند. عملیات پیش گرمایش و پس از گرمایش قبل و بعد از جوشکاری برای ترویج آزادسازی هیدروژن؛ تمیز کردن سطح و استفاده از پوشش های محافظ برای جداسازی منابع هیدروژن؛ و تقویت کنترل های محیطی برای جلوگیری از تجمع رطوبت و هیدروژن.
این اقدامات جامع می تواند به طور موثری وقوع شکنندگی هیدروژن را کاهش دهد و ایمنی و قابلیت اطمینان مواد فلزی را در کاربردهای با استحکام بالا یا حیاتی تضمین کند.
خلاصه
شکنندگی هیدروژن یک مسئله حیاتی است که بر مواد فلزی، به ویژه فولادها و آلیاژهای با استحکام بالا تأثیر می گذارد و نباید شدت آن را دست کم گرفت.
به طور قابل توجهی انعطاف پذیری و چقرمگی فلزات را کاهش می دهد و آنها را مستعد شکستگی ترد تحت تنش خارجی می کند و در نتیجه ایمنی تجهیزات و قابلیت اطمینان سازه را تهدید می کند.
این امر به ویژه در صنایعی مانند نفت و گاز، هوا فضا و مواد شیمیایی نگرانکننده است، جایی که شکنندگی هیدروژن میتواند منجر به خرابی تجهیزات، آلودگی محیطزیست و تعطیلی تولید و در نتیجه هزینههای تعمیر و تعویض بالا شود.
با انجام اقدامات پیشگیرانه موثر، عمر سرویس تجهیزات را می توان افزایش داد، هزینه های تعمیر و نگهداری را کاهش داد، و انطباق با مقررات را تضمین کرد و از ایمنی تولید و عملکرد اقتصادی محافظت کرد.
بنابراین، رسیدگی به شکنندگی هیدروژن نه تنها برای اطمینان از ایمنی پرسنل و تجهیزات، بلکه برای بهبود کارایی اقتصادی و انطباق تجارت بسیار مهم است.