Analiza przyczyn pękania spowodowanego kruchością wodorową śrub ze stali stopowej

Kruchość wodorowa jest typowym rodzajem kruchego uszkodzenia stali o wysokiej wytrzymałości. Wolne atomy wodoru wnikając do osnowy stali gromadzą się w defektach wewnętrznych, na granicach ziaren i w obszarach koncentracji naprężeń, powodując gwałtowny wzrost lokalnych naprężeń wewnętrznych. Kiedy skupione naprężenie wywołane wodorem przekracza lokalną granicę wytrzymałości stali, wewnątrz materiału inicjują się nieodwracalne mikropęknięcia. Po uformowaniu i serwisowaniu śruby, pod wpływem sprzęgającego wewnętrznego naprężenia szczątkowego i zewnętrznego naprężenia roboczego, te mikropęknięcia nadal się rozprzestrzeniają i ostatecznie prowadzą do nagłego kruchego pęknięcia.

Kruchość wodorowa jest nieodwracalna. Można temu zapobiec jedynie poprzez kontrolę procesu i warunków pracy, a nie eliminować go poprzez obróbkę końcową. Dlatego też dokładne zrozumienie czynników powodujących pękanie ze względu na kruchość wodorową jest niezbędne, aby zasadniczo uniknąć takich awarii. Do głównych przyczyn kruchości wodorowej śrub ze stali stopowej zalicza się penetrację wodoru podczas wytrawiania, wodór resztkowy podczas wytapiania, absorpcję wodoru ze środowiska pracy oraz opóźnione pękanie wywołane wodorem.

1. Penetracja wodoru podczas procesów trawienia

Procedury obróbki wstępnej, w tym trawienie, fosforanowanie, zmydlanie i galwanizacja, są głównymi źródłami wnikania wodoru podczas produkcji śrub. Wśród tych procesów najbardziej znaczące jest wydzielanie się wodoru i penetracja wodoru przez trawienie i fosforanowanie. Podczas fosforanowania środowisko kwaśne tworzy liczne mikroogniwa galwaniczne pomiędzy strukturami żelaza i węgla w stali. Na powierzchni przedmiotu obrabianego przy anodzie tworzy się gęsty film fosforanowy, natomiast na katodzie zachodzą poważne reakcje wydzielania się wodoru, w wyniku których powstaje duża liczba aktywnych atomów wodoru.

Nowo wygenerowane atomy wodoru charakteryzują się małą objętością i dużą aktywnością, dzięki czemu z łatwością przenikają przez powierzchnię stali i pozostają wewnątrz osnowy. Główną przyczyną kruchości wodorowej jest penetracja wodoru procesowego podczas produkcjiśruby ze stali stopowej.

2. Niecałkowite usuwanie wodoru podczas wytapiania

Podczas wytapiania stali stopowej wodór śladowy jest wprowadzany przez surowce, gaz piecowy i media chłodzące. Ze względu na ograniczenia związane z temperaturą wytapiania, środowiskiem pieca, procesami odgazowywania i kontrolą procesu, atomy wodoru ze stopionej stali nie mogą zostać całkowicie usunięte, co powoduje pozostawienie pewnej ilości resztkowego wodoru w osnowie stali.

Resztkowy wodór zmniejsza siłę wiązania granic ziaren stali i zwiększa kruchość strukturalną. Podczas późniejszej obróbki cieplnej, tłoczenia na zimno i obciążenia eksploatacyjnego przyspiesza inicjację i propagację mikropęknięć oraz znacznie zwiększa ryzyko pękania ze względu na kruchość wodorową.

3. Absorpcja wodoru ze środowisk zewnętrznych

Kiedy śruby pracują długotrwale w wilgotnym, deszczowym lub korozyjnym środowisku, na powierzchni śruby zachodzą reakcje elektrochemiczne wywołane wilgocią i mediami korozyjnymi. Reakcje te w sposób ciągły generują aktywne atomy wodoru, które wnikają do osnowy śruby.

W środowiskach deszczowych, o wysokiej wilgotności i gęstej mgle solnej śruby absorbują wodór z większą szybkością i powodują większą akumulację wodoru, co skutkuje znacznie większym prawdopodobieństwem pękania ze względu na kruchość wodorową w porównaniu z suchymi warunkami pracy.

4. Opóźnione pękanie kruche wywołane wodorem

Jest to główny rodzaj uszkodzenia rdzenia, wynikający z kruchości wodorowej. Wolny resztkowy wodór wewnątrz osnowy śruby gromadzi się w sposób ciągły w strefach koncentracji naprężeń pod wpływem połączonego działania szczątkowego naprężenia wstępnego i zmiennego obciążenia operacyjnego. Wzbogacanie wodorem znacznie zmniejsza odporność materiału na pękanie i sprzyja powolnej propagacji nieodłącznych mikropęknięć, ostatecznie powodując opóźnione kruche pękanie bez wyraźnych objawów poprzedzających awarię. Jest to typowy tryb nagłej awarii przy niskim naprężeniu.

Środki zapobiegania kruchości wodorowej

Kruchość wodorowaśrubyopiera się głównie na profilaktyce. W rzeczywistej produkcji i zastosowaniu surowce o niskiej wrażliwości na wodór należy wybierać zgodnie z klasami wytrzymałości śrub i warunkami pracy. Należy optymalizować kluczowe procesy, takie jak obróbka cieplna, trawienie, fosforanowanie i galwanizacja, czemu towarzyszyć będzie rygorystyczna obróbka odwodornieniem i pełna kontrola jakości procesu. Kompleksowe środki zapobiegawcze obejmujące wybór surowców, produkcję, obróbkę powierzchni, montaż i obsługę mogą skutecznie wyeliminować ryzyko kruchości wodorowej.