تردی هیدروژنی چیست؟ چرا مهم است؟

هیدروژن قدرت نفوذ نسبتا بالایی دارد. با نفوذ این گاز به برخی فلزات مثل آهن و فولاد، سطح آن ترک خورده و اصطلاحا دچار تردی هیدروژنی (Hydrogen Embrittlement) می شود. این پدیده که با عنوان ترک القایی توسط هیدروژن نیز از آن یاد می شود، از حدود 140 سال پیش شناخته شده است.

ایجاد ترک، شکستگی، کاهش انعطاف پذیری (از بین رفتن خاصیت چکش خواری)، از بین رفتن سختی و تخریب فلز از جمله نشانه هایی است که با دیدن آن ها می توان به وقوع این پدیده پی برد. تردی هیدروژنی در اغلب مواقع غیرقابل پیش بینی است و می تواند نتایج نامطلوب بسیاری به دنبال داشته باشد.

اغلب فلزات در دمای بالای 150 درجه سانتی گراد در برابر پدیده تردی هیدروژنی مقاوم هستند. به همین علت این پدیده بیشتر در دماهای پایین رخ می دهد.

خسارات پدیده تردی هیدروژنی

در واقع می توان گفت که نفوذ هیدروژن به آهن و فولاد اتفاقی است که می تواند نتایج نامطلوبی به دنبال داشته باشد. برخی از این نتایج عبارت است از:

• تردی هیدروژنی (HE)
• ترک های ناشی از هیدروژن (HIC)
• ترک های ناشی از هیدروژن های جهت دار شده بر اثر تنش (SOHIC)
• ترک دار شدن تنشی هیدروژنی (HSC)
• تاول های هیدروژنی (HB)

در مقایسه با سایر پدیده های نام برده، تردی هیدروژنی هیچ گونه علائم ظاهری و ماکروسکوپیک قابل مشاهده ندارد. همچنین با بسیاری از روش های متداول نظیر متالوگرافی، سختی سنجی، کشش معمولی و … نیز قابل مشاهده نیست.

وقوع پدیده تردی هیدروژنی

به طور کلی سه شرط برای به وقوع پیوستن این پدیده لازم است:

1. اتم ها یا یون های هیدروژن حاضر بوده و قابلیت نفوذ داشته باشند.
2. فلز مستعد باشد.
3. تنش اعمال شده باشد.

زمان انجام عملیاتی نظیر آبکاری، شکل دهی، تمیزکاری، اندودن، اسیدشویی، پوشش دهی الکتریکی (Electroplating) و یا هر فرایند پوشش دهی دیگری که سطح فولاد را در معرض هیدروژن آزاد قرار می دهد، احتمال جذب و نفوذ هیدروژن افزایش یافته و ماده برای تردی هیدروژنی مستعدتر خواهد بود. در چنین شرایطی تنش فلزات به حد لازم می رسد و زمان مناسبی برای وقوع این پدیده محسوب می شود. در چنین شرایطی اگر اتم یا یون های هیدروژن نفوذکننده نیز در محیط حضور داشته باشند، امکان وقوع پدیده تردی هیدروژنی وجود داشته و ممکن است فلز ترک بخورد یا حتی دچار شکستگی شود.

همچنین در زمان استفاده از قطعه و کار با آن نیز امکان نفوذ هیدروژن به داخل فلز وجود دارد. بسته به مقدار هیدروژن موجود در محیط و مدت زمان تماس ماده با آن، حد تردی هیدروژنی تعیین می شود.

خوب است بدانید که وجود مقادیر بسیار کم هیدروژن می تواند باعث ایجاد پرونده هیدروژنی در مواد و فولادهای استحکام بالا شود.

تنش، یکی از سه شرط لازم برای تردی هیدروژنی

شکستگی فلز ناشی از تردی هیدروژنی به اعمال نیروی خارجی مرتبط نبوده و تنها تحت تاثیر وجود تنش های پس ماند (Residual Stress) به عنوان منبع اعمال تنش است. معمولا آستانه این تنش ها از تنش تسلیم ماده کمتر است و به همین علت بدون تغییر شکل کافی و یا ایجاد صدمات و آسیب های قابل مشاهده، دچار یک شکست درونی شده و به صورت ناگهانی تخریب می شود.

دلایل تردی هیدروژنی

گفتیم که رایج ترین زمان وقوع این پدیده، هنگام انجام عملیات مختلف روی فلزات است. مهم ترین عاملی که باعث شکستگی در این زمان می شود، انجام آبکاری به صورت کنترل نشده و یا جوشکاری فلزات به شیوه اشتباه و با الکترودهای مرطوب است. با این کار، یون های هیدروژن آزاد شده و در فضا پخش می شوند. از طرف دیگر، تنشی که در ذرات فلز ایجاد شده، سایر شرایط را فراهم می کند تا تردی هیدروژنی رخ دهد.

هیدروژن از اتم های بسیار کوچکی تشکیل شده است که می توانند به صورت بین نشینی به داخل فولاد و سایر فلزات نفوذ کنند. این اتم ها به راحتی در میان اتم های حل شونده حرکت می کنند و حتی چند دقیقه بعد از تولید نیز می توانند از محل تولید نفوذ کنند. از این رو عواملی نظیر گذشت زمان، قرارگیری طولانی مدت در معرض محیط و فرایندهای خوردگی مثل خوردگی گالوانیک ممکن است در تردی هیدروژنی تاثیرگذار باشند.

روش های جلوگیری از تردی هیدروژنی

ساده ترین راه برای جلوگیری از وقوع این پدیده این است که از جذب هیدروژن به اتصالات و قطعات پیش از به کار گیری و ورود آن ها به سیکل عملیات کاری، ممانعت شود. توصیه می شود که برای پوشش دهی اتصالات از حمام های شستشو و پوشش دهی با هیدروژن کم استفاده شود.

این در حالی است که برای فولادهای با استحکام بالا که سختی بیشتر از 40 HRC دارند، پیش از فرایند پوشش دهی باید عملیات تنش زدایی در دمای 150 تا 230 درجه سانتی گراد انجام شود. بلافاصله بعد از پوشش دهی نیز باید قطعات به مدت 4 ساعت در کوره ای با حداقل  دمای 190 تا 210 درجه سانتی گراد (بسته به استحکام کششی قطعات) گرم شوند.

در این مرحله قطعات تا دمای 200 درجه سانتی گراد گرم می شوند تا هیدروژن جذب شده از فلزات خارج شود. حرکت هیدروژنی اتمی از درون یک فلز، نوعی فرایند دیفوز یونی است که به دما و زمان وابسته است. هرچه استحکام فلز بیشتر باشد، برای نفوذ به دما و زمان بیشتری نیز نیاز دارد.

توجه داشته باشید که این کار باید پیش از ایجاد هرگونه ترک ناشی از وجود تنش های باقی مانده و حداکثر یک ساعت بعد از پوشش دهی قطعات انجام شود تا هیدروژن زدایی به خوبی انجام شده و از خطر تردی هیدروژنی کاسته شود.

روش های جلوگیری از تردی هیدروژنی در آبکاری

همان طور که پیش از این نیز اشاره کردیم، وجود یون و اتم هیدروژن در محیط و تماس آن با سطح فلز، مهم ترین عامل برای بروز این پدیده است. بنابراین ساده ترین راه برای جلوگیری از این اتفاق، ایجاد موانعی در مسیر نفوذ یون هیدروژن به فلز است.

برای این کار چندین راه وجود دارد که در ادامه به اختصار شرح داده شده است:

1. استفاده از ممانعت کننده ها (اغلب در عملیات اسیدشویی)
2. استفاده از اسیدها و مواد اسیدی خالص تر
3. استفاده از آلیاز مناسب تر (آلیاژ کردن فولادهای با استحکام بالا با نیکل و مولیبدن)
4. جوشکاری صحیح (استفاده از الکترودهای مناسب و کم هیدروژن و خشک نگه داشتن محل جوش و اطراف آن)
5. استفاده از فعال کننده های سطح در مراحل اسیدشویی (برای کاهش زمان و افزایش سرعت)

چرا تردی هیدروژنی مهم است؟

گفتیم که تردی هیدروژنی فرایندی پیچیده شامل میکرومکانیسم های متمایز است که لزوما همه آن ها وجود ندارند. این مکانیسم ها شامل تشکیل هیدریدهای ترد و ایجاد حفره هایی می شود که می تواند ایجاد حباب های فشار بالا، افزایش تجزیه در سطوح داخلی و قابلیت تغییر شکل در نوک ترک ها را به دنبال داشته باشد و به گسترش ترک ها کمک کند.

چند نکته مهم در باب اهمیت پدیده تردی هیدروژنی عبارت است از:

1. هیدروژن باعث تردی فولاد می شود.
2. هیدروژن در این پدیده، نفوذ کننده است نه مولکولی.
3. در صورت بیرون آمدن هیدروژن نفوذ کننده از فولاد باعث ایجاد حباب می شود.
4. هر چه فولاد مستحکم تر باشد، بیشتر مستعد این پدیده است.
5. هیدروژن باعت پایین آمدن خواص مکانیکی فولاد می شود.
6. باعث ایجاد ترک های ریز و سپس رشد آن ها به دلیل ایجاد تنش های پسماند می شود.

شارژ گاز هیدروژن در مخازن صنعتی

در بند 7-2 استاندارد INSO 7909_1 در این باره به طور کامل توضیح داده شده است:

کدام گازها خطر تردی هیدروژنی دارند؟

گازهایی که بر اساس استاندارد 1-14655 و یا 1-11114 خطر تردی هیدروژنی دارند در ادامه خدمت شما ارائه شده است:

کدام گازها خطر تردی هیدروژنی ندارد؟

گازهایی که بر اساس استاندارد 1-14655 و یا 1-11114 خطر تردی هیدروژنی ندارند و از وقوع این پدیده به دور هستند، در جدولی به شرح زیر لیست شده است:

شارژ هیدروژن در مخازن با فشار کمتر

اگر در مخازن 200 بار صنعتی، هیدروژن با فشار کمتر، مثلا 100 بار، پر کنیم، خطرناک است؟

بله، فشار هیدروژن تاثیری در ریز یا درشت شدن اتم های آن ندارد. مکانیزم به روز میکرو ترک ها و سایر مواردی که در بالا توضیح داده شد، حتی در فشار 5 بار هم داخل مخزن رخ می دهد.

راهکار چیست؟ چه مخازنی قابلیت شارژ گازهای با خطر تردی هیدروژنی را دارند؟

1. محدوده استحکام نهایی (حداقل و حداکثر) تعیین شده و حدود بالایی برای استحکام نیز مطابق با استانداردهای مذکور در نظر گرفته شود. به عنوان مثال، تا جایی که نسبت تسلیم به استحکام نهایی فولاد کمتر از 0.9 است، بیشترین استحکام فولاد 950 مگابایت در نظر گرفته شود. در این صورت باید با انجام یک فرآیند عملیات حرارتی منحصر به فرد که همانند مخازن صنعتی و یا CNG نمی باشد، به انعطاف پذیری بالاتر و استحکام پایین تر دست یافت.
2. از مخازنی با ضخامت بالاتر جهت جبران استحکام پایینتر استفاده شود.
3. تاییدیه نوع مخصوص گازهای با خطر هیدروژنی با مجوز حکاکی نشان حرف H روی مخازن اخذ شود.
4. بر اساس استاندارد ملی نشانه گذاری 9425 حرف H روی مخازن حک شود.