Độ giòn hydro: Tổng quan và thông tin chi tiết chính

Độ giòn hydro (HE), còn được gọi là nứt do hydro hỗ trợ hoặc nứt do hydro gây ra, là hiện tượng kim loại mất độ dẻo và trở nên giòn do sự hấp thụ của các nguyên tử hydro. Quá trình này ảnh hưởng đến tính chất cơ học của kim loại và có thể dẫn đến hỏng hóc sớm dưới ứng suất.

Cơ chế giòn hydro

Sự giòn hydro xảy ra thông qua các cơ chế khác nhau:

• Khuếch tán và tích lũy: Các nguyên tử hydro xâm nhập vào cấu trúc vi mô của kim loại, tích tụ tại ranh giới hoặc khoảng trống hạt, tạo ra áp suất bên trong thúc đẩy sự hình thành vết nứt12.

• Độ dẻo cục bộ tăng cường hydro (HELP): Hydro tạo điều kiện thuận lợi cho chuyển động trật khớp tại các đầu vết nứt, dẫn đến hỏng độ dẻo cục bộ1.

• Hydrogen Enhanced Decoherence (HEDE): Hydro kẽ làm giảm ứng suất cần thiết cho quá trình tách nguyên tử, thúc đẩy các vết nứt giòn1.

• Sự hình thành hydrua kim loại: Trong một số hợp kim như titan và vanadi, hydrua giòn hình thành, cho phép lan truyền vết nứt1.

• Biến đổi pha: Hydro có thể gây ra sự thay đổi pha trong một số vật liệu, có khả năng làm giảm độ dẻo1.

Vật liệu nhạy cảm

Các kim loại dễ bị giòn hydro bao gồm:

• Thép cường độ cao

• Sắt, niken, titan, coban và các hợp kim của chúng

• Thép không gỉ Austenit (trong điều kiện cụ thể)
  Các kim loại ít nhạy cảm hơn bao gồm nhôm, đồng và hầu hết các loại thép không gỉ13.

Điều kiện để bị giòn

Bốn yếu tố chính góp phần gây giòn hydro:

1. Sự hiện diện của một vật liệu nhạy cảm.

2. Tiếp xúc với hydro nguyên tử (ví dụ: từ các phản ứng điện hóa hoặc quá trình sản xuất).

3. Ứng suất kéo (áp dụng hoặc dư).

4. Nhiệt độ thấp (dưới 150°C), nơi bị giòn nghiêm trọng nhất12.

Nguồn hydro

Hydro có thể có nguồn gốc từ:

• Các quá trình điện hóa (ví dụ: ăn mòn hoặc mạ điện).

• Các lỗi sản xuất (ví dụ: damp que hàn hoặc độ ẩm trong quá trình xử lý kim loại nóng chảy).

• Tiếp xúc với môi trường (ví dụ: axit trong quá trình ngâm hoặc làm sạch)13.

Chiến lược phòng ngừa

Sự giòn hydro có thể được giảm thiểu thông qua:

1. Lựa chọn vật liệu: Chọn hợp kim ít bị giòn.

2. Xử lý nhiệt (“Nướng”): Loại bỏ hydro hấp thụ bằng cách khuếch tán ở nhiệt độ cao.

3. Quy trình sản xuất có kiểm soát: Tránh các quy trình như tẩy axit hoặc sử dụng que hàn khô.

4. Làm nóng trước / Gia nhiệt sau: Được áp dụng trong quá trình hàn để ngăn chặn sự xâm nhập của hydro.

5. Tiêu chuẩn thử nghiệm: Sử dụng các thử nghiệm như ASTM F1624 để đánh giá tính nhạy cảm và hiệu quả của các biện pháp phòng ngừa123.

Những thách thức trong nền kinh tế hydro

Khi hydro trở thành trung tâm của các sáng kiến năng lượng sạch, tác động của nó gây ra rủi ro cho cơ sở hạ tầng như đường ống và bình chịu áp lực. Các nhà nghiên cứu đang khám phá các vật liệu và lớp phủ tiên tiến để giảm thiểu những rủi ro này đồng thời cho phép mở rộng an toàn các công nghệ dựa trên hydro27.