Kruchość Wodorowa

Nieoczekiwane awarie śrub powodują uszkodzenie produktu końcowego i wysokie koszty. Istnieje wiele przyczyn, które mogą powodować pęknięcie śruby, a kruchość wodorowa może być jedną z nich.

Kruchość wodorowa (HE) to trwała utrata ciągliwości metalu lub stopu spowodowana okluzją atomów wodoru w strukturze. To, w połączeniu z obciążeniem lub naprężeniem rozciągającym, może prowadzić do kruchego pęknięcia po pewnym czasie (pęknięcie opóźnione).

Opóźniona awaria może wystąpić kilka godzin lub kilka dni po instalacji, bez widocznych oznak. Nie dzieje się to od razu po instalacji ani kilka miesięcy później.

Kruchość wodorowa jest podzielona na dwa główne typy w oparciu o źródło wodoru: wewnętrzna kruchość wodorowa (IHE) i środowiskowa kruchość wodorowa (EHE). Wewnętrzna kruchość wodorowa jest powodowana przez wodór resztkowy zaabsorbowany podczas produkcji stali i/lub z etapów przetwarzania, takich jak czyszczenie kwasem i proces galwanizacji.

Środowiskowa kruchość wodorowa jest powodowana przez wodór wprowadzany do metalu ze źródeł zewnętrznych, gdy jest on poddawany naprężeniom, takim jak eksploatowane elementy złączne.

Menu

Dlaczego dochodzi do uszkodzenia związanego z kruchością wodorową?
Jak przebiega proces kruchości wodorowej?
Jak zminimalizować ryzyko wewnętrznej kruchości wodorowej śruby?
Jak CELO może pomóc w zapobieganiu kruchości wodorowej w podzespołach

Dlaczego dochodzi do kruchości wodorowej?

Aby doszło do uszkodzenia spowodowanego kruchością wodorową, muszą wystąpić jednocześnie trzy podstawowe warunki. Warunki te zostały odpowiednio zilustrowane na diagramie Venna:

Jak przebiega proces kruchości wodorowej?

Kruchość wodorowa zachodzi zazwyczaj w 3-etapowym procesie:

1. Absorpcja wodoru:

Absorpcja wodoru


W temperaturze pokojowej atomy wodoru mogą być absorbowane przez stopy stali węglowej podczas różnych procesów, takich jak proces produkcyjny związany z czyszczeniem kwasem, galwanizacją lub narażeniem na środowisko zawierające wodór.

2. Dyfuzja:

Wodór w preferencyjnych miejscach, takich jak granice ziaren, dyslokacje lub zanieczyszczenia

Zaabsorbowane atomy wodoru są wysoce mobilne i mogą dyfundować do obszarów największych naprężeń, takich jak granice ziaren, dyslokacje, wtrącenia... Wodór tworzy puste przestrzenie na granicach ziaren metalu. Rezultatem dyfuzji wodoru do materiału jest utrata plastyczności, co czyni go bardziej kruchym i podatnym na pękanie.

3. Kruchość:

Atakuje wzrost i prowadzi do pękania pod wpływem naprężeń


Po odpowiednim czasie, gdy śruba jest narażona na wysokie naprężenia rozciągające, puste przestrzenie wywierają dodatkowy nacisk na ziarna metalu, tworząc początkowe pęknięcia, które rosną wzdłuż osłabionych granic ziaren, aż w końcu śruba pęka. Proces ten znany jest jako pękanie międzykrystaliczne.

Gdy pęknięcie jest inicjowane pod wpływem naprężeń rozciągających, w jego wierzchołku występuje wysoka koncentracja naprężeń. Jeśli dostępna jest wystarczająca ilość wodoru, oddziałuje on z wierzchołkiem pęknięcia i inicjuje propagację pęknięcia. (Rys. 1.)

Fig 1. Crack propagation in a screw

Jak zminimalizować ryzyko wewnętrznej kruchości wodorowej śruby?

Kruchość wodorowa nie jest ani widoczna, ani przewidywalna. Chociaż procesy produkcyjne są zoptymalizowane w celu zminimalizowania ryzyka kruchości wodorowej, nie ma metody produkcji, która może zagwarantować jej całkowite wyeliminowanie.

  • Normy dotyczące śrub galwanizowanych, ISO 4042 i ASTM F1941/F1941M, klasyfikują elementy złączne wymagające obowiązkowego procesu wygrzewania jako te o minimalnej określonej twardości powyżej 390 HV. Proces wygrzewania jest określony w normie ISO 4042 w temperaturze od 190°C do 230°C przez maksymalnie 24 godziny (w zależności od rozmiaru, wytrzymałości i twardości śruby). Proces ten nie eliminuje całkowicie wewnętrznej kruchości wodorowej, ale znacznie zmniejsza ryzyko jej wystąpienia. (Rys. 2.)
     

Proces galwanizacji generuje wodór, który może być absorbowany przez śrubę. Celem procesu wygrzewania jest wydzielenie jak największej ilości wodoru poprzez wypływanie i uwięzienie pozostałego wodoru w strukturze stali w celu jego unieruchomienia. Zmniejsza to ilość przemieszczającego się wodoru, który powoduje kruchość wodorową.
 

  • W przypadku śrub o wysokim ryzyku kruchości wodorowej w zastosowaniach o wysokich wymaganiach mechanicznych zaleca się stosowanie powłok organicznych, w których proces elektrolizy nie jest przeprowadzany podczas procesu powlekania

Fig 2. Hydrogen distribution in a screw before and after baking process

Jak CELO może pomóc w zapobieganiu kruchości wodorowej w Twoim procesie montażu?

Uszkodzenie spowodowane kruchością wodorową zdarza się w sposób nieprzewidywalny. Aby temu zapobiec, należy podjąć wysiłki na etapie projektowania i produkcji.

Inżynierowie aplikacji CELO mogą pomóc naszym klientom w zapobieganiu kruchości wodorowej w ich podezespołach montażowych poprzez:

  • Zalecanie materiału o mniejszej podatności na HE.

  • Optymalizacja konstrukcji złącza w celu zmniejszenia naprężeń rozciągających, ścinających i zginających.

  • Wybór najbardziej odpowiedniej powłoki dla śruby, która spełnia wymagania antykorozyjne i zmniejsza ryzyko kruchości wodorowej w zespołach montażowych.


Wiele popularnych powłok, takich jak cynkowanie (ASTMB633), tworzy barierę wokół śruby, która nie pozwala na łatwą dyfuzję wodoru poza śrubę. Bardziej porowate powłoki zapewniają większą dyfuzję wodoru, minimalizując ryzyko kruchości.

TEST wykrywający kruchość wodorową

Międzynarodowa norma ISO 15330:1999 opisuje procedurę wykrywania występowania kruchości wodorowej śrub w temperaturze pokojowej. Celem tego testu jest wprowadzenie poziomu naprężenia, który może przyspieszyć proces kruchości i ujawnić podatność na pękanie wywołane wodorem. /p>

W CELO przeprowadzamy ten test w naszym laboratorium. Należy go zamówić z wyprzedzeniem i poprosić o niego podczas procesu projektowania śruby.