Ψαθυροποίηση Υδρογόνου- Ορισμός και παραδείγματα

Πριν λίγες εβδομάδες, είχαμε δημοσιεύσει ένα άρθρο στο οποίο γινόταν αναφορά στο φαινόμενο της ψαθυροποίησης υδρογόνου. Και λάβαμε από έναν αναγνώστη το ακόλουθο μήνυμα:

Κι εγώ ρε μάστορα που δεν έχω ιδέα τι είναι η ψαθυροποίηση υδρογόνου και όταν το βλέπω νομίζω ότι είναι κάτι σαν τη βόμβα υδρογόνου, πώς θα κοιμηθώ το βράδυ???
Καλή συνέχεια στη δουλειά που κάνεις! Τα άρθρα σου παίχτη, τα σπάνε!

Ένας τόσο καλός και καλοπροαίρετος αν και ολίγον τι υπερβολικός, αναγνώστης, δε γίνεται να μένει με την απορία και του ανταποδίδουμε την εμπιστοσύνη που μας δείχνει, απαντώντας στο ερώτημά του…

H ψαθυροποίηση υδρογόνου (Hydrogen embrittlement) είναι η διεργασία κατά την μέταλλα όπως οι χάλυβες, θραύονται ψαθυρά, σε φορτία πολύ χαμηλότερα του ορίου διαρροής, λόγω της εισαγωγής και της εν συνεχεία διάχυσης υδρογόνου (συνήθως αέριου) στο μέταλλο. Συνήθως οφείλεται σε μη ηθελημένη εισαγωγή υδρογόνου κατά την κατεργασία του μετάλλου αλλά μπορεί να παρουσιαστεί και λόγω περιβαλλοντικών συνθηκών. Το φαινόμενο πρωτομελετήθηκε στα μέσα (προς τέλη) του 19ου αιώνα αλλά εξακολουθεί να μην έχει πλήρως καταννοηθεί!

Αν και το φαινόμενο επηρεάζει τα περισσότερα κράματα, η ψαθυροποίηση υδρογόνου στους χάλυβες έχει τη μεγαλύτερη σπουδαιότητα. Έχει δειχθεί πειραματικά ότι οι ωστενιτικοί ανοξείδωτοι χάλυβες, το αλουμίνιο και τα και ο χαλκός και τα κράματά του δεν προσβάλλονται εύκολα από το φαινόμενο της ψαθυροποίησης υδρογόνου. Αντίθετα, PH χάλυβες (precipitation hardened- σκληρυμενοι με κατακρήμνιση) οι οποίοι έσπαγαν καταστροφικά μετά από επιμήκυνση 17%, μετά από έκθεση σε υδρογόνο σε υψηλή πίεση, το ποσοστό της επιμήκυνσης έπεφτε σε μόλις 1.7% (στο 10% του αρχικού!)!

Η περιπλοκότητα του μηχανισμού του φαινομένου καταδεικνύεται και από το γεγονός ότι ενώ το αλουμίνιο δεν προσβάλλεται εύκολα από αυτό, τα κράματα αλουμινίου και κατά κύριο λόγο αυτά που έχουν υποστεί σκλήρυνση με κατακρήμνιση, είναι εύκολοι στόχοι, όπως και τα κράματα τιτανίου και οι χάλυβες υψηλών αντοχών! Ξέρεις δηλαδή ότι ο χαλκός δεν είναι επιδεκτικός στην ψαθυροποίηση υδρογόνου. Θεωρείς ότι ενισχύοντας το αλουμίνιο με χαλκό, δεν έχεις πρόβλημα… Αμ δε…

Η συνήθης διαδικασία είναι άτομα υδρογόνου που έχουν επικαθίσει στην επιφάνεια του μετάλλου να διαχεόνται στον όγκο. Όπως κάθε διεργασία διαχυσης, έτσι και εδώ έχουμε αύξηση με αύξηση της θερμοκρασίας αλλά αν υπάρχει μεγαλύτερη συγκέντρωση υδρογόνου στην επιφάνεια του μετάλλου από μία οριακή τιμή, το φαινόμενο της διάχυσης μπορεί να συντελεστεί και σε χαμηλές θερμοκρασίες. Το ατομικό υδρογόνο σχηματιζει στη συνέχεια μοριακό, το οποίο δημιουργεί παραμορφώσεις (με την εισαγωγή κρυσταλλικών ατελειών) στις κρυσταλλικές δομές οι οποίες με τη σειρά τους οδηγούν σε μειωμένη ολκιμότητα, δυσθραυστότητα και τάση εφελκυσμού. Η θραύση μετάλλων λόγω αυτού του φαινομένου ονομάζεται Hydrogen Induced Cracking- HIC.

Η προέλευση του υδρογόνου, είναι κι αυτή μία περιοχή μεγάλου εύρους. Μπορεί να οφείλεται στην παραγωγή του χάλυβα, στην επεξεργασία των εξαρτημάτων από τον (ενδεχομένως ήδη προσβεβλημένο) χάλυβα, σε συγκολλήσεις, ακόμη και κατά τη χρήση (πχ. μέσα αποθήκευσης υδρογόνου). Επίσης, μπορεί να βρεθεί σε χώρους όπου έχει προκύψει ως παραπροϊόν των αντιδράσεων άλλων μορφών διάβρωσης και αυτό είναι και η μεγαλύτερη ανησυχία της πυρηνικής βιομηχανίας!

Χημικές αντιδράσεις όπως το σκούριασμα του χάλυβα, καθοδική προστασία και φωσφάτωση μπορούν να παράγουν υδρογόνο ως παραπροϊόν. Το υδρογόνο επίσης εισάγεται σε ψυκτικό αντιδραστήρων ώστε να απομακρύνει το οξυγόνο. Προκειμένου να μειωθούν οι πιθανότητες ψαθυροποίησης υδρογόνου σε αντιδραστήρες που δεν περιέχουν εξαρτήματα από αλουμίνιο, το ψυκτικό υγρό διατηρείται σε ουδέτερο ή αλκαλικό pH (ώστε να μην υπάρχουν ελεύθερα κατιόντα υδρογόνου στο ψυκτικό διάλυμα). Κι επειδή το υδρογόνο, το οποίο είναι προφανώς και το βασικό προαπαιτούμενο για την ψαθυροποίηση υδρογόνου, είναι σε πολλές εφαρμογές απαραίτητο,  οπότε η διαδικασία εισαγωγής του έχει τυποποιηθεί (Defence Standard 03-30, October 2000) ώστε να αποφεύγεται κατά το δυνατόν παραμένουσα ποσότητα υδρογόνου στο μέταλλο (και δη χάλυβα).

Αν για παράδειγμα, σε μέταλλο που προσβάλλεται εύκολα από ψαθυροποίηση υδρογόνου, πρέπει να κάνουμε φωσφάτωση ή κάποια συγκόλληση (ακόμη και arc welding), το τελικό προΙόν πρέπει να υποβληθεί σε μία επιπλέον διαδικασία θερμικής κατεργασίας, προκειμένου να απομακρυνθεί το υδρογόνο που είναι χαλαρώς συνδεδεμένο με την επιφάνεια του μετάλλου.

Σε περιπτώσεις που το υδρογόνο προκύπτει ως παραπροϊόν της καθοδικής ημιαντίδρασης διάβρωσης, το υδρογόνο μπορεί να εισχωρήσει στο μέταλλο σε ατομική μορφή. Σε αυτήν την περίπτωση, η τελική θραύση από φόρτιση του μετάλλου εντάσσεται στην περίπτωση του Stress Corrosion Cracking (θραύση λόγω εργοδιάβρωσης). Αν όμως η θράυση συντελεσθεί λόγω σουλφιδίων του υδρογόνου, τότε ο όρος αποδίδεται ως Sulphide Stress Cracking (SSC).

Η μεγαλύτερη ειρωνεία όμως εμφάνισης για το φαινόμενο της ψαθυροποίησης υδρογόνου είναι η καθοδική προστασία, και οι περιπτώσεις κατά τις οποίες αυτή δεν γίνεται σωστά! Να θες δηλαδή να προστατεύσεις το μέταλλό σου και να καταλήγεις να τα κάνεις χειρότερα τα πράγματα!

Στους ανοξείδωτους χάλυβες, τα πράγματα είναι αρκετά ξεκάθαρα όσον αφορά τον μηχανισμό που διέπει την όλη διεργασία. Το υδρογόνο διαχέεται κατά μήκος των ορίων των κόκκων και συνδυάζεται με τον άνθρακα που βρίσκεται εκεί κραματωμένος με τον σίδηρο. Άνθρακας και υδρογόνο ενώνονται και δημιουργούν μεθάνιο (CH4)! Το μεθάνιο δεν μπορεί να κινηθεί και παραμένει έγκλειστο σε ατέλειες κατά μήκος των ορίων των κόκκων όπου οι πιέσεις που αναπτύσσονται ξεκινούν ρωγματώσεις.

Αν το μέταλλο είναι υπό υψηλές εφελκυστικές τάσεις, μπορεί να έχουμε ψαθυρή θραύση. Σε θερμοκρασίες δωματίου, τα άτομα του υδρογόνου απορροφώνται στη δομή του μετάλλου και διαχέονται μέσα από τους κόκκους, δια των ορίων των κόκκων, καταλήγοντας να σταματούν σε ατέλειες ή άλλες προσμίξεις. Αν οι τάσεις προκαλέσουν θραύση υπό αυτές τις συνθήκες, η διαδρομή που ακολουθεί η ρωγμή είναι ταχεία και μέσα από τους κόκκους (για αυτό και το μέταλλο σπάει ψαθυρά).

Σε υψηλές θερμοκρασίες τώρα, το απορροφηθέν υδρογόνο τείνει να συγκεντρώνεται στα όρια των κόκκων αλλά όχι σημειακά, όπως στις χαμηλές θερμοκρασίες. Στην περίπτωση αυτη, η θραύση οφείλεται στη διάδοση της ρωγμής μέσα από τα όρια των κόκκων (και πάλι η θραύση είναι ψαθυρή- αυτό δεν αλλάζει!).

Το παράδοξο αλλά θετικό συνάμα, είναι ότι η ψαθυροποίηση υδρογόνου, δεν είναι μία κατάσταση μόνιμη! Αν δεν υπάρξει θραύση και οι περιβαλλοντικές συνθήκες μεταβληθούν, το υδρογόνο μπορεί να εκροφηθεί και η ολκιμότητα του χάλυβα (ή του μετάλλου γενικά) να αποκατασταθεί!Για να αντιμετωπιστεί το πρόβλημα της ψαθυροποίησης στη σωστή του βάση, δίνεται έμφαση στον έλεγχο του υδρογόνου που αφενός υπάρχει στον χάλυβα, αφ ετέρου που προσλαμβάνεται από αυτόν κατά την κατεργασία του. Ο περιορισμός του υδρογόνου στο περιβάλλον λειτουργίας του εξαρτήματος είναι επίσης μεγάλης σημασίας. Μεγάλης σημασίας επίσης  είναι η ανάπτυξη νέων κραμάτων, αλλά και θερμικών κατεργασιών ώστε να προκύψουν κράματα, από μόνα τους ανθεκτικότερα στο φαινόμενο.