水素の脆弱性とは何ですか?

水素脆化は深刻な問題であり、材料の構造に変化を引き起こし、機械的特性を急激に低下させる可能性があります。 何十年にもわたる詳細な研究にもかかわらず、水素脆化についてはまだ多くの不確実性があります。

水素脆化の基本的な知識

水素脆化の影響を最も受けやすい材料には、高強度鋼、チタン合金、およびアルミニウム合金が含まれます。 金属および合金への水素の侵入は、水素脆化の形成における重要な因子である。 このプロセス自体は非常に複雑であり、水素の侵入速度も多くの変数に依存します。 腐食に加えて、水素源には、製鋼プロセス、不適切な潤滑油分解、熱処理環境、溶接プロセス、および湿度の高い環境での機械処理も含まれます。 さらに、脆化リスクの大部分は、電気化学的表面処理プロセス中に生じるようである。

水素脆化は2つの主要なカテゴリーに分けることができます

1.内部水素脆化、これは、製錬、鍛造、溶接、電気メッキ、または酸洗いプロセス中に金属材料による水素ガスの過度の吸収によって引き起こされます。

2.環境水素脆化、これは応力と水素雰囲気または他の水素含有媒体の複合作用の下で生成される脆性破壊である。

水素脆化の典型的な例は、炭素鋼や合金鋼などの材料で発生します。 ファスナーの强度または硬度はコアパラメータです。

1000MPaよりも高い引張強度、320HVよりも高いコア硬度、および450HVの最小表面硬度を持つボルト、ネジ、およびスタッド。硬度が40HRCを超えるセルフタッピングネジなどの高強度ファスナー。硬度が40HRCを超える弾性ワッシャーは、水素脆化のリスクがあります。

ファスナーの水素脆化は、遅延した脆性破壊プロセスです。 破損は取り付け後に発生し、引張応力下の留め具でのみ発生します (ただし、引張応力が残留し、取り付けがなくても破損する可能性のある冷間成形された特殊スプリングコンポーネントなど、例外はほとんどありません)。 ファスナーは高荷重下で水素脆化破壊を経験する可能性が高いため、ファスナーの引張応力のレベルは決定的なパラメーターです。 ただし、引張強度が加えられた荷重よりも低い場合でも、ファスナーが破損する可能性があります。 この故障は、ファスナーが組み立てられた後のある時点で発生します。 通常、骨折はファスナーの取り付け後数時間または数日で発生します。 水素脆化は、組み立て後数秒または数か月以内に発生することはめったになく、発生すると、警告や明らかな兆候なしに突然発生します。 操作中のコンポーネントの故障は、通常、高コストで発生します。

水素脆化破壊表面は、非延性破壊を示します。 経験豊富な材料エンジニアは通常、検査に走査型電子顕微鏡を使用します。脆性破壊の外観は、他の顆粒間破壊の原因によって引き起こされるものと非常によく似ています。

4.図1: ボルトの粒状破壊を引き起こす水素脆化

水素脆化の発生は、以下のステップを経る。

1.水素がファスナーに浸透します。

2.ファスナー内の水素は、高張力応力領域に拡散します。

3.水素は、粒界、介在物、破壊、およびその他の欠陥に分離する。

4.臨界水素濃度に達する。

5.亀裂は、ファスナーが加えられた荷重に耐えられなくなり、最終的には割れるまで、ポイント2からポイント5に伝播します。

フィギュア2: ファスナーに浸透するクラック由来水素

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