Analiza vzroka loma vijakov iz legiranega jekla zaradi vodikove krhkosti

Vodikova krhkost je tipičen krhek način odpovedi jekla visoke trdnosti. Prosti atomi vodika, ki prodirajo v jekleno matriko, se kopičijo na notranjih napakah, mejah zrn in območjih koncentracije napetosti, kar povzroči močno povečanje lokalne notranje napetosti. Ko koncentrirana napetost, ki jo povzroči vodik, preseže lokalno mejo trdnosti jekla, se v materialu začnejo nepopravljive mikrorazpoke. Po oblikovanju in delovanju vijaka se te mikrorazpoke pod učinkom spajanja notranje preostale napetosti in zunanje delovne napetosti še naprej širijo in sčasoma privedejo do nenadnega krhkega zloma.

Vodikova krhkost je nepovratna. Preprečiti ga je mogoče le z nadzorom procesa in delovnih pogojev, namesto da bi ga odpravili z naknadno obdelavo. Zato je jasno razumevanje dejavnikov, ki sprožijo zlom zaradi vodikove krhkosti, bistvenega pomena, da se popolnoma izognemo takšnim okvaram. Glavni vzroki za vodikovo krhkost v vijakih iz legiranega jekla vključujejo penetracijo vodika med dekapiranjem, preostali vodik med taljenjem, absorpcijo vodika iz delovnega okolja in zapozneli krhki lom, ki ga povzroči vodik.

1. Prodiranje vodika med procesi luženja

Postopki predhodne obdelave, vključno z dekapiranjem, fosfatiranjem, umiljenjem in galvanizacijo, so glavni viri vdora vodika med proizvodnjo vijakov. Med temi postopki dekapiranje in fosfatiranje predstavljata najpomembnejše sproščanje vodika in prodiranje vodika. Pri fosfatiranju kisli medij tvori številne mikro galvanske člene med železnimi in ogljikovimi strukturami v jeklu. Na površini obdelovanca na anodi se oblikuje gosta fosfatna folija, medtem ko na katodi potekajo močne reakcije sproščanja vodika, ki ustvarjajo veliko število aktivnih vodikovih atomov.

Na novo ustvarjeni atomi vodika imajo majhno prostornino in visoko aktivnost, kar jim omogoča, da zlahka prodrejo v površino jekla in ostanejo v matrici. Prodiranje vodika v procesu med proizvodnjo je glavni vzrok zloma vodikove krhkosti vvijaki iz legiranega jekla.

2. Nepopolna odstranitev vodika med taljenjem

Med taljenjem legiranega jekla vodik v sledovih vnašajo surovine, kurilni plin in hladilni mediji. Omejeni s temperaturo taljenja, okoljem peči, postopki razplinjevanja in nadzorom procesa vodikovih atomov v staljenem jeklu ni mogoče popolnoma odstraniti, zaradi česar ostane določena količina ostanka vodika v jekleni matrici.

Preostali vodik zmanjša vezno trdnost meja jeklenih zrn in poveča strukturno krhkost. Med kasnejšo toplotno obdelavo, hladnim nabijanjem in delovno obremenitvijo pospeši nastanek in širjenje mikrorazpok ter znatno poveča tveganje zloma zaradi vodikove krhkosti.

3. Absorpcija vodika iz okolja zunanjih storitev

Ko vijaki delujejo v dolgotrajnem vlažnem, deževnem ali korozivnem okolju, pride do elektrokemičnih reakcij na površini vijaka, ki jih sprožita vlaga in jedki mediji. Te reakcije nenehno ustvarjajo aktivne atome vodika, ki prodrejo v matriko vijaka.

V okoljih z dežjem, visoko vlažnostjo in močno slano meglo vijaki absorbirajo vodik hitreje z večjim kopičenjem vodika, kar povzroči veliko večjo verjetnost zloma zaradi vodikove krhkosti v primerjavi s suhimi delovnimi pogoji.

4. Z vodikom povzročen zapozneli krhki lom

To je glavni način odpovedi vodikove krhkosti. Prosti preostali vodik v matrici vijaka se nenehno kopiči na območjih koncentracije napetosti pod kombiniranim delovanjem preostale prednapetostne napetosti in izmenične delovne obremenitve. Obogatitev z vodikom močno zmanjša lomno žilavost materiala in spodbuja počasno širjenje inherentnih mikrorazpok, kar na koncu povzroči zapozneli krhki lom brez očitnih simptomov pred odpovedjo. To je tipičen način nenadne odpovedi z nizkim stresom.

Ukrepi za preprečevanje vodikove krhkosti

Vodikova krhkostvijakitemelji predvsem na preventivi. Pri dejanski proizvodnji in uporabi je treba surovine z nizko občutljivostjo na vodik izbrati glede na stopnje trdnosti vijakov in pogoje uporabe. Ključne postopke, kot so toplotna obdelava, luženje, fosfatiranje in galvanizacija, je treba optimizirati, spremljati pa jih mora stroga obdelava z dehidrogenacijo in nadzor kakovosti celotnega procesa. Celoviti preventivni ukrepi, ki zajemajo izbiro surovin, proizvodnjo, površinsko obdelavo, sestavljanje in delovanje, lahko učinkovito odpravijo tveganja vodikove krhkosti.