هیدروژن توانایی نفوذ نسبتا بالایی داراست. با نفوذ این گاز به بعضی فلزات همچون آهن و فولاد، سطح آن ترک خورده و در واقع دچار تردی هیدروژنی (Hydrogen Embrittlement) می‌شود. این پدیده که با نام ترک القایی توسط هیدروژن نیز شناخته می‌شود، از حدود 140 سال پیش وجود دارد.
به وجود آمدن ترک، شکستگی، کاهش انعطاف پذیری یا از بین رفتن خاصیت چکش خواری، از بین رفتن سختی و تخریب فلز از جمله علائمی است که با مشاهده آن‌ها می‌توان به وقوع این پدیده پی برد. در اغلب مواقع تردی هیدروژنی غیرقابل پیش بینی بوده و میتواند نتایج نامطلوب زیادی به همراه داشته باشد. اغلب فلزات در دمای بالای 150 درجه سانتی گراد در مقابل پدیده تردی هیدروژنی مقاوم هستند. به همین علت این پدیده بیشتر در دماهای پایین اتفاق می‌افتد.
تردي هيدروژني چیست؟
تردي هيدروژني پروسه‌ای است که در آن هيدروژن با نفوذ به ماده فلزي سبب به وجود آمدن ترک، کاهش انعطاف‌پذيري و در نتیجه شکست و تخريب آن مي‌شود. شکست مواد فلزي در اثر پديده تردي هيدروژني اغلب غيرقابل پيش‌بيني و گاه خطرناک است. علت آن اين است که جهت وقوع شکست، اعمال نيروي خارجي نياز نبوده و وجود تنش‌هاي پس ماند مي‌تواند به عنوان منبع اعمال تنش عمل کند. آستانه تنش‌هايي که سبب ترک می‌شود به طور معمول کمتر از تنش تسليم ماده است؛ در نتیجه ماده بدون اينکه تغيير شکل کافی دهد يا صدمات ظاهری آن قابل مشاهده باشد به طور ناگهاني و در واقع در اثر يک شکست دروني تخريب می‌شود.
حد تردی هيدروژني به مقدار هيدروژن و مدت زمانی که ماده در معرض آن قرار گرفته بستگی دارد. هيدروژن که از نظر شعاع اتمي بسيار کوچک بوده و میتواند در طی روند ساخت يا عمليات صورت گرفته روس فلز و يا در حين کاربرد قطعه فلزی به درون آن نفوذ کند. فرآیندهایی اعم از اسيدشوئي، پوشش‌دهي الکتريکي، جوشکاري و در نهایت تمامی پروسه پوشش‌دهی که سطح فولاد را در معرض هيدروژن آزاد قرار می‌دهد ماده را مستعد جذب و نفوذ هيدروژن می‌نماید. بودن مقادير بسيار اندک هيدروژن میتواند سبب ایجاد پرونده هیدروژنی در مواد و فولادهایی با استحکام بالا شود.
چرا تردی هیدروژنی حائز مهم است؟
همانطور که پیش‌تر بیان نمودیم، تردی هیدروژنی، روندی پیچیده شامل میکرومکانیسم های مختلف بوده که الزاما همه آن‌ها وجود ندارند. این عملکردها شامل تشکیل هیدریدهای ترد و به وجود آمدن حفره‌هایی می‌شود که میتواند به وجود آمدن حباب‌های فشار بالا، افزایش تجزیه در سطوح داخلی و قابلیت تغییر شکل در نوک ترک‌ها را به همراه داشته باشد و سبب بیشتر شدن ترک‌ها شود. در ادامه به چند نکته قابل توجه درباره اهمیت پدیده تردی هیدروژنی اشاره خواهیم نمود:
- هیدروژن سبب تردی فولاد می‌شود.
- هیدروژن سبب کاهش خواص مکانیکی فولاد می‌شود.
- هیدروژن در این پدیده، نفوذ کننده بوده است نه مولکولی.
- هر چه فولاد مقاوم تر باشد، بیشتر مستعد این پدیده خواهد بود.
- سبب ایجاد ترک های ریز و سپس رشد آن‌ها به دلیل ایجاد تنش های پسماند می‌شود.
- در صورت بیرون آمدن هیدروژن نفوذ کننده از فولاد سبب به‌وجود آمدن حباب می‌شود.
خسارات پدیده تردی هیدروژنی
در حقیقت می‌توان اینگونه بیان نمود که نفوذ هیدروژن به آهن و فولاد رخدادی است که میتواند نتایج نامطلوبی به همراخ داشته باشد. برخی از این نتایج به شرح زیر است:
- تردی هیدروژنی (HE)
- تاول‌های هیدروژنی (HB)
- ترک های ناشی از هیدروژن (HIC)
- ترک دار شدن تنشی هیدروژنی (HSC)
ترک های ناشی از هیدروژن های جهت دار شده بر اثر تنش (SOHIC)
در مقایسه با دیگر پدیده‌های ذکر شده، تردی هیدروژنی هیچ گونه نشانه ظاهری و ماکروسکوپیک قابل مشاهده‌ای به‌دنبال ندارد. همچنین با بسیاری از راهکارهای رایج همچون متالوگرافی، سختی سنجی، کشش معمولی نیز قابل مشاهده نخواهد بود.
جوشکاری ورق گالوانیزه و همه چیز درباره آن
دلایل تردی هیدروژنی
همانطور که بیان نمودیم، رایج‌ترین تایم به وجود آمدن این پدیده، هنگام انجام عملیات مختلف روی فلزات است. اصلی‌ترین عاملی که سبب شکستگی در این زمان می‌شود، انجام آبکاری به صورت کنترل نشده و یا جوشکاری فلزات به شیوه اشتباه و با الکترودهای مرطوب است. در راستای این امر، یون‌های هیدروژن آزاد شده و در فضا پخش می‌شوند.
از طرف دیگر، تنشی که در ذرات فلز بوجود آمده، سایر شرایط را فراهم می‌نماید تا تردی هیدروژنی اتفاق افتد. هیدروژن از اتم‌های بسیار ریزی ایجاد شده است که می‌توانند به صورت بین نشینی به داخل فولاد و سایر فلزات نفوذ نماید. این اتم‌ها به آسانی در میان اتم‌های حل شونده جابجا می‌شوند و حتی چند دقیقه پس از تولید نیز می‌توانند از محل تولید نفوذ کنند. از این جهت عواملی همچون چذر زمان، قرارگیری طولانی مدت در معرض محیط و فرایندهای خوردگی همچون خوردگی گالوانیک ممکن است بر تردی هیدروژنی اثر بگذارد.
راهکارهای جلوگیری از تردی هیدروژنی
آسان‌ترین راه جهت پیشگیری از وقوع این پدیده آن است که از جذب هیدروژن به اتصالات و قطعات پیش از به کار گیری و ورود آن‌ها به سیکل عملیات کاری، جلوگیری شود. پیشنهاد می‌شود که جهت پوشش دهی اتصالات از حمام‌های شستشو و پوشش دهی با هیدروژن کم استفاده شود.
این در حالی است که برای فولادهای با مقاومت بالا که سختی بیشتر از 40 HRC دارند، پیش از فرایند پوشش دهی میبایست عملیات تنش زدایی در دمای 150 تا 230 درجه سانتی گراد انجام شود. درست پس از پوشش دهی نیز میبایست قطعات به مدت 4 ساعت در کوره‌ای با حداقل دمای 190 تا 210 درجه سانتی گراد (بسته به استحکام کششی قطعات) گرم شوند.
سخن پایانی
در این مقاله از دیانی ماشین، به بررسی چگونگی فرآیند تردی هیدروژنی پرداختیم. همچنین خسارات ناشی از آن را توضیح دادیم. در صورت هرگونه وجود ابهام و پرسش می‌توانید با مشاوران ما در ارتباط باشید.
