水素脆化の概要
水素脆化は、影響を受けやすい金属による水素の吸収の結果であり、その結果、延性が失われ、耐荷重能力が低下します。脆化した材料の降伏応力を下回る応力は、亀裂や壊滅的な脆性破壊を引き起こす可能性があります。水素脆化は、水素誘起割れまたは水素攻撃とも呼ばれます。
室温では、水素原子は金属格子に吸収され、粒子を通って拡散します。吸収された水素は、原子または複合分子の形で存在する可能性があります。形態に関係なく、原子または分子が結合して金属粒界で小さな気泡を形成します。これらの気泡は圧力集中器として機能し、金属粒子間の圧力を高めます。金属の延性が低下するレベルまで圧力が上昇すると、材料内部に微細な亀裂が形成されます。亀裂は粒界です。すなわち、亀裂は金属粒界に沿って成長します。 (このテーマの詳細については、水素膨れと水素脆化:原因と予防策を参照してください。)
水素脆化による故障例を下図に示します。左の画像は、破損したクロムメッキ鋼ボルトの巨視的ビューを示しています。右図は破断面の走査型電子顕微鏡像です。破断面のファセットの外観は、粒界破壊を示しています。ボルトは、クロム電気メッキ プロセス中に脆くなりました。
破壊されたボルトと破壊面の走査型電子顕微鏡画像。
水素脆化による破損には、次の 3 つの要因が必要です。
<オール>高強度炭素鋼と低合金鋼は、水素脆化に対して最も脆弱な合金です。極限引張強度が 1000 MPa 未満、または硬度が 30 HRC 未満の鋼は、一般に水素脆化の影響を受けやすいとは見なされません。 (別の例は、記事「亜鉛の水素脆化問題:議論された新しいガイダンス」に記載されています。)
水素は、周囲温度または高温で金属表面に入り、拡散します。これは、金属が原子状または分子状の水素と接触するあらゆる場所で、さまざまな製造および組み立て作業または運用中の使用中に発生する可能性があります。
水素脆化につながるプロセスには、リン酸塩処理、酸洗い、電気めっき、アーク溶接などがあります。これらのプロセス中に、材料が水素を吸収する可能性があります。たとえば、アーク溶接中、水分から水素が放出されます (たとえば、溶接電極のコーティングで、これを最小限に抑えるために、高強度鋼の溶接には特別な低水素電極が使用されます)。
使用中に、腐食、金属と酸、または他の化学物質との化学反応の結果として、水素が金属に導入される可能性があります。特に、硫化物応力亀裂における硫化水素です。
破壊を引き起こす応力に関しては、コンポーネント内の残留応力でも十分です。
水素脆化を回避するための対策としては、水素暴露を減らすことや、めっき後のベーキングなど水素吸収につながる処理が挙げられます。ベーキングは、水素が金属から拡散することを可能にします。焼き付けができない場合は、強度の低い鋼を使用し、残留応力と印加応力を減らすことで、水素脆化による破壊を回避できます。コンポーネントの使用中に水素吸収が発生する状況では、これらが最適なオプションとなる場合があります。
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