Водородной хрупкости

Водород растрескиванию ( английский водорода индуцированных трещин , HIC )

Под водородным охрупчиванием подразумевается изменение хрупкости, вызванное проникновением и включением водорода в металлическую сетку . Это последствие коррозии аналогично усталости материала - результатом является водородное растрескивание, которое, в частности, ограничивает использование чувствительных материалов для хранения водорода .

эффект

Водородное охрупчивание возникает, когда на поверхности металла образуется атомарный водород - либо в результате водородной коррозии, либо в результате другой химической реакции при обработке металла, в которой участвует водород (например, травление ), - который диффундирует в материал быстрее, чем объединяется на поверхности материала. с образованием недиффузионных молекул H ₂ . Часть водорода хранится в решетке металла, и, как и в случае с титаном , может образовываться гидрид металла . В других случаях водород предпочтительно осаждается на пустотах или границах зерен. В обоих случаях результатом является охрупчивание металла.

Изображение, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа, связанного с водородом разрушения сверхвысокопрочного стального материала с номером материала 1.4614 с хрупкими и вязкими изломами.

Если растягивающие и / или нагрузочные напряжения достаточно высоки, существует риск замедленного хрупкого разрушения . Говорят о замедленном хрупком разрушении, потому что повреждение требует времени, и материал разрушается практически без деформации из-за скользящих блокировок. Этот эффект аналогичен коррозионному растрескиванию под напряжением и ограничивает использование металлов для хранения водорода .

процесс

Атомарный водород, образующийся в результате определенных химических реакций, проникает в структуру металлических материалов, где снова рекомбинирует с образованием молекулярного водорода на дефектах решетки и остается там. Связанное с этим увеличение давления приводит к внутренним напряжениям и охрупчиванию материала без увеличения прочности. В конечном итоге конечный результат - трещины, которые распространяются изнутри. В стресс - коррозионного растрескивания, водород , получаемый в ходе процесса коррозии диффундирует к вершине трещины и ускоряет скорость трещины там.

Водородное охрупчивание стали

Сталь и титан часто подвержены охрупчиванию, если они долгое время находились в контакте с водородом. Однако что касается сталей, аустенитные стали (например, CrNi-стали) являются исключением. Они в значительной степени нечувствительны к водородному охрупчиванию и относятся к стандартным материалам, используемым в водородной технологии. Высокопрочные стали с высоким содержанием мартенсита и пределом текучести более 800 МПа (например, винты с классом прочности 10,9 и выше) особенно подвержены риску повреждения, связанного с водородом.

Возможные причины повреждения, связанного с водородом, могут быть как

• производственные, d. ЧАС. Например, за счет образования водорода во время гальванического осаждения (например, гальванизации или травления), а также во время сварки ,
• или в рабочем состоянии, d. ЧАС. например из-за водородной коррозии ,

быть. Во время гальванического осаждения водород образуется на стали с катодным соединением и диффундирует в сталь. В случае коррозии растворение металла, особенно в случае недостатка кислорода, может привести к образованию элементарного водорода .

Чтобы компоненты снова высвободили водород, необходимо сразу после воздействия водорода провести термообработку в течение нескольких часов при температуре примерно 200–300 ° C ( отжиг с низким содержанием водорода , также известный как отпуск или отпуск ). Поскольку водород имеет высокую скорость диффузии даже при низких температурах, можно вытеснять водород из стали при температурах до 200 ° C без металлургических изменений. Общие стандарты испытаний - это DIN 50969-1 и -2 для защиты производственных процессов от водородного охрупчивания, связанного с производством, а также DIN 50969-3 для защиты от последующих влияющих переменных, связанных с эксплуатацией.

Водородная болезнь (водородная хрупкость) меди

Водородная болезнь - это химическая реакция кислорода, связанного в виде оксида меди (I) в типах меди, содержащих кислород, таких как CuETP, с образованием меди и воды. Водородную болезнь часто ошибочно называют водородным охрупчиванием. Эти два механизма отличаются друг от друга. В случае меди кислород должен присутствовать в материале в виде оксида меди (I), чтобы реагировать с атомарным водородом, который заметно диффундирует в медный материал примерно при температуре от 500 градусов Цельсия. Нет ли доступного кислорода, как в случае бескислородных разновидностей CuOF, CuOFE и других, или это связано с добавлением фосфора, например B. В случае с CuPHC водородная болезнь возникнуть не может. В качестве дополнительного условия водород должен быть в атомарной форме, а не в виде газа, поэтому его необходимо восстанавливать. В случае кислородсодержащих типов меди, таких как CuETP с содержанием кислорода до 400 ppm, водородная болезнь может привести к трещинам и полостям. Из-за высокой электропроводности эти виды меди в основном используются в электротехнике . Они не производятся без кислорода . В расплавленном металле может растворяться до 0,09% (м / м) кислорода, и образуются небольшие количества оксида меди (I) (Cu ₂ O).

При нагревании выше 500 ° C, например, во время автогенной сварки или пайки с восстановительным пламенем, водород газа горелки, который был восстановлен до атомарного водорода, диффундирует в поверхность металла и восстанавливает оксид меди (I) в соответствии с следующая реакция:

${\ displaystyle \ mathrm {Cu_ {2} O + H_ {2} \ \ longrightarrow \ 2 \ Cu + H_ {2} O \ (steam).}}$

Водяной пар разрывает структуру, потому что оксид меди (I) в литых материалах представляет собой тонкую сетку эвтектики Cu-Cu ₂ O на границах зерен . Это явление называется водородной болезнью.

Смотри тоже

• Метод вторичной металлургии для дегазации жидких металлов.
• TWIP сталь

литература

• Обращение к водородному охрупчиванию с помощью электрохимического наноиндентирования in situ . (PDF; 11,49 МБ)
• Водородное охрупчивание (PDF; 838 kB)
• HA Haslinger: Трещины в стальных конструкциях, оцинкованных горячим способом . (PDF; 1,5 МБ)
• Специальный выпуск материаловедения и технологий «Водород в металлических сплавах». 2017 г.

Индивидуальные доказательства

1. ↑ По материалам экспертов во Фридрихсхафене. В: Испытания материалов, консультации и услуги. STZ Материалы Коррозия и защита от коррозии, доступ к 19 декабря 2017 года . 
2. ↑ Предотвращение связанных с производством водородных хрупких трещин в деталях из высокопрочной стали - Часть 1: Профилактические меры. Проверено 19 декабря 2017 года . 
3. ↑ Предотвращение связанных с производством водородных хрупких трещин в компонентах из высокопрочной стали - Часть 2: Испытания. Проверено 19 декабря 2017 года . 
4. ↑ Предотвращение связанных с производством водородных хрупких трещин в компонентах из высокопрочной стали - Часть 3: Последующие эксплуатационные воздействия и расширенные испытания. Beuth Verlag, доступ к 19 декабря 2017 года . 
5. ↑ Растворимость кислорода в расплавах меди
6. ↑ Использование ацетиленовых / кислородных горелок запрещено из-за образования взрывоопасных ацетилидов меди (I).