수소 메짐화

Hydrogen embrittlement
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수소유발균열(HIC)

수소 메짐화(HE)는 수소 보조 균열 또는 수소 유도 균열(HIC)이라고도 하며 흡수된 수소로 인한 금속 연성의 감소입니다.수소 원자는 작고 고체 금속을 통해 침투할 수 있다.수소가 흡수되면 금속의 균열이 시작되고 전파되는 데 필요한 응력이 감소하여 메짐 현상이 발생합니다.수소 메짐화는 강철뿐만 아니라 철, 니켈, 티타늄, 코발트 및 그 합금에서도 가장 두드러지게 발생합니다.구리, 알루미늄 및 스테인리스강은 수소 [1][2][3][4]연화에 덜 취약합니다.

수소취약성의 본질에 대한 본질적인 사실은 [5][6]19세기부터 알려져 왔다.강철의 경우 상온에서 수소 취화가 극대화되며, 대부분의 금속은 150°[7]C 이상의 온도에서 상대적으로 수소 취화에 대한 면역이 있습니다.수소 메짐화에는 균열 성장을 유도하기 위한 기계적 응력이 필요하지만, 그러한 응력이 적용되거나 [2][8][9]잔류할 수 있다.수소 메짐화는 낮은 [1][2][10]변형률로 증가한다.일반적으로 고강도 재료는 수소 연화현상에 더 취약하다.

금속은 두 가지 종류의 공급원으로부터 수소에 노출될 수 있습니다. 즉, 금속 표면에서 화학적으로 생성된 수소와 기체입니다.수소가스는 압력용기와 파이프라인에서 발견됩니다.수소의 전기화학적 공급원에는 산(피클링, 식각 또는 세척 중에 발생할 수 있음), 부식(일반적으로 수성 부식 또는 음극 보호로 인한) 및 전기 [1][2]도금이 포함됩니다.수소는 용접 중 또는 금속이 용해되는 동안 수분이 존재하여 제조 중에 금속으로 유입될 수 있습니다.실제 실패의 가장 일반적인 원인은 제어 불량한 전기 도금 또는 습식 용접봉입니다.

용어로서의 수소취약화는 비교적 낮은 수소농도의 강철 및 유사한 금속에서 발생하는 취약화를 지칭하거나 수소가 금속에 미치는 모든 취약 효과를 포괄하는 데 사용할 수 있다.이러한 광범위한 메짐화 효과에는 강철이 아닌 티타늄 및 바나듐에서 발생하는 수소화물 생성과 높은 수소 농도에서만 발생하며 [10]응력이 필요하지 않은 수소 유도 물집이 포함됩니다.그러나 수소 메짐화는 거의 항상 400°C 이상의 온도에서 강철에서 발생하며 메탄 [11]포켓의 형성을 수반하는 고온 수소 공격(HTHA)과 구별됩니다.수소가 강철에서 메짐화를 일으키는 메커니즘은 완전히 이해되지 않았으며 계속해서 [1][12][13]논의되고 있습니다.

메커니즘

수소로 인한 경화강 균열, 주사전자현미경법(SEM)으로 관찰.

수소 메짐화는 여러 가지 뚜렷한 기여 미세 메커니즘이 수반되는 복잡한 프로세스이며, 이러한 메커니즘이 모두 존재할 필요는 없습니다.메커니즘에는 부서지기 쉬운 하이드라이드의 형성, 고압 기포를 일으킬 수 있는 공극의 형성, 내부 표면의 향상된 데코션 및 [13]균열의 전파를 돕는 균열 팁의 국부적 소성 등이 포함됩니다.확산성 수소가 [6]금속에 용해되면 메짐성의 원인에 대해 제안되고[13] 연구된 메커니즘은 매우 다양합니다.최근 몇 년 동안 HE는 복잡하고 물질적이며 환경에 의존적인 프로세스이므로 단일 메커니즘이 [14]독점적으로 적용되지 않는다는 것이 널리 받아들여지고 있다.

  • 내부 압력:높은 수소 농도에서는 흡수된 수소종이 공극에서 재결합하여 수소 분자(H2)를 형성하여 금속 내부에서 압력을 생성합니다.이 압력은 균열(일반적으로 수소유도균열(HIC))이 형성되는 수준까지 상승할 수 있으며, 시료 표면에 형성되는 물집(수소에 의해 유발되는 물집)도 상승할 수 있다.이러한 효과는 연성과 인장 [15]강도를 감소시킬 수 있습니다.
  • 수소 국부 소성 향상(HELP): 수소는 균열 팁에서 전위의 핵 형성 및 이동을 증가시킵니다.HELP는 균열 팁의 국부적 연성 고장에 의해 균열 전파를 유발하고 주변 재료의 변형이 줄어들어 [14][12]균열의 외관이 취약해 보입니다.
  • 수소 감소 전위 방출: 분자 역학 시뮬레이션에서 용해된 수소에 의해 균열 끝의 전위 방출이 억제됨으로써 발생하는 연성-전위 전환을 보여줍니다.이로 인해 균열 팁의 반올림을 방지하므로 날카로운 균열은 메짐성 균열로 [16]이어집니다.
  • 수소 강화 데코시온(HEDE): 간질성 수소는 금속 원자가 분해되는 데 필요한 응력을 낮춥니다.HEDE는 균열 끝의 인장 응력장, 응력 집중기 또는 가장자리 [12]전위의 장력장 등 수소의 국소 농도가 높을 때만 발생할 수 있다.
  • 금속 수소화물 형성:모재와 함께 메짐성 하이드라이드를 형성하면 균열이 메짐성 방식으로 전파될 수 있습니다.이것은 특히 바나듐 [17]합금의 문제이지만, 대부분의 구조용 합금은 쉽게 하이드라이드를 형성하지 않습니다.
  • 위상 변환:수소는 일부 물질에서 위상 변환을 유도할 수 있으며, 새로운 상은 연성이 적을 수 있습니다.

재료 감수성

수소는 강철,[18][19] 알루미늄(고온에서만[20]) 및 [21]티타늄을 포함한 다양한 금속을 부서뜨립니다.오스텐퍼 철(및 다른 오스텐퍼 금속)은 수소취약화에 대한 내성을 증가시키지만 오스텐퍼 철도 민감합니다.[22]NASA는 니켈 합금, 오스테나이트계 스테인리스강, 알루미늄 및 합금, 구리(예: 베릴륨 [2]구리 포함)와 같이 어떤 금속이 부서지기 쉽고 뜨거운 수소 공격만 받기 쉬운지를 검토했습니다.Sandia는 또한 포괄적인 [23]가이드를 제작했습니다.

강철

강철은 음극 충전을 통해 수소로 메워졌다.수소 함량을 줄이기 위해 열처리(제빵)가 사용되었습니다.굽는 시간이 짧을수록 수소 [24]함량이 높기 때문에 파괴 시간이 단축되었습니다.

최종 인장 강도가 1000MPa(~145,000psi) 미만이거나 경도가 HRC 32 미만인 강철은 일반적으로 수소 연화 현상이 발생하기 쉬운 것으로 간주되지 않습니다.심각한 수소취화현상의 예로서, 매끄러운 시료가 고압수소에 노출되었을 때 17~4PH의 석출경화 스테인리스강 고장 시 신장률이 17%에서 [citation needed]1.7%로 떨어지는 것으로 측정되었다.

강철의 강도가 증가하면 파괴 인성이 감소하기 때문에 수소 메짐화가 파괴로 이어질 가능성이 높아집니다.고강도강에서는 HRC32 이상의 경도는 수소를 도입하는 도금공정 후 수소균열이 발생하기 쉽다.또한 음극 방식 및 기타 선원의 시간 경과에 따른 수소 축적으로 인해 서비스를 시작한 후 몇 주에서 수십 년까지 언제든지 장기적인 고장을 경험할 수 있다.HRC 32-36 이상의 경도 범위에서 수많은 고장이 보고되었습니다. 따라서 품질 관리 중에 이 범위의 부품을 점검하여 영향을 받지 않도록 해야 합니다.

구리

산소를 포함한 구리 합금은 뜨거운 수소에 노출되면 부서질 수 있습니다.수소는 구리를 통해 확산되며 CuO의
2 포함물과 반응하여 2개의 금속 Cu 원자를 형성하고 있습니다.HO2(물) - 입자 경계에서 가압 기포를 형성합니다.이 과정은 말 그대로 입자를 서로 밀어낼 수 있으며 증기 메짐화라고 합니다(증기가 구리 결정 격자 안에서 직접 생성되기 때문이지, 구리가 외부 증기에 노출되어 문제가 발생하기 때문은 아닙니다).

바나듐, 니켈 및 티타늄

바나듐, 니켈, 티타늄의 합금은 수소 용해도가 높기 때문에 상당한 양의 수소를 흡수할 수 있다.이로 인해 수소화물이 형성되어 부피가 불규칙하게 팽창하고 연성이 저하될 수 있습니다(금속 수소화물은 깨지기 쉬운 세라믹 재료이기 때문입니다).이는 수소 분리막에서 [17]사용할 비팔라듐 기반 합금을 찾을 때 특히 문제가 됩니다.

피로

실제로 대부분의 기능 상실은 빠른 기능 상실을 거쳤지만, 수소가 강철의 피로 특성에도 영향을 미친다는 실험적인 증거가 있다.이는 빠른 [25][15]골절을 위해 제안된 메짐화 메커니즘의 특성을 고려할 때 전적으로 예상된 것입니다.일반적으로 수소 메짐화는 고스트레스, 저사이클 피로에는 강한 영향을 미치며 고사이클 [2][23]피로에는 거의 영향을 미치지 않습니다.

수소원

제조 중에 인화, 산세척, 전기도금, 주조, 탄화, 표면세척, 전기화학가공, 용접, 열간롤 성형, 열처리 등의 공정에 의해 수소를 부품에 용해시킬 수 있다.

서비스 사용 중 수소는 습식 부식 또는 음극 [2]방식 등의 보호 조치를 잘못 적용하여 금속에 용해될 수 있습니다.San Francisco-Oakland Bay Bridge 건설 중 발생한 실패 사례 중 하나는 아연도금(아연 도금) 로드가 장력을 받기 전에 5년 동안 젖은 상태로 유지되었습니다.아연과 물의 반응으로 [26][27][28]수소가 강철로 유입되었다.

제조 중 메짐 현상이 발생하는 일반적인 사례는 용접 전극의 코팅이나 습기 있는 [21][29]용접봉에서 수소가 방출되는 아크 용접 관행의 불량입니다.아크의 고온 플라즈마에서 원자수소가 형성되지 않도록 용접봉을 적절한 온도와 시간에 오븐에서 완전히 건조시킨 후 사용해야 한다.수소 생성을 최소화하는 또 다른 방법은 고강도 강철 용접에 특수 저수소 전극을 사용하는 것입니다.

아크 용접을 제외하고, 가장 일반적인 문제는 수소 이온이나 물의 감소에 의해 표면에 수소 원자가 생성되어 금속에서 빠르게 용해되는 화학 또는 전기 화학 공정에서 발생합니다.이러한 화학 반응 중 하나는 황화수소(HS
2)가 황화물 응력 균열(SSC)에 관련되며, 이는 석유 및 가스 [30]산업에 중대한 문제입니다.

수소 침투를 일으킬 수 있는 제조 공정 또는 처리 후에는 구성 요소를 구워 [27]수소를 제거하거나 고정해야 합니다.

예방

수소 메짐화는 여러 가지 방법을 통해 예방할 수 있는데, 이 방법들은 모두 금속과 수소 사이의 접촉을 최소화하는 데 초점이 맞춰져 있으며, 특히 물의 제조 및 전기 분해 중에 더욱 그러하다.황 및 인산염과 같은 요소와의 접촉을 증가시키기 위해 산성 산세척과 같은 메짐화 절차는 피해야 합니다.적절한 전기 도금 용액과 절차를 사용하는 것도 수소 취약성 예방에 도움이 될 수 있습니다.

금속이 아직 균열이 시작되지 않았다면 수소원을 제거하고 열처리를 통해 금속 내의 수소를 확산시킴으로써 수소취화 현상을 반전시킬 수 있다.저수소 어닐링 또는 "베이킹"으로 알려진 이 디엠브리틀레이션 프로세스는 금속에 수소를 도입하는 전기 도금 등의 방법의 약점을 극복하는 데 사용되지만 충분한 시간과 온도에 [31]도달해야 하므로 항상 완전히 효과적인 것은 아닙니다.ASTM F1624와 같은 테스트를 사용하여 최소 베이킹 시간을 신속하게 식별할 수 있습니다(실험 설계를 사용하여 테스트함으로써 비교적 적은 수의 샘플을 사용하여 이 값을 정확하게 파악할 수 있습니다).그런 다음 동일한 검정을 품질 관리 검사로 사용하여 배치 단위로 베이킹이 충분한지 여부를 평가할 수 있습니다.

용접의 경우, 종종 금속을 예열 및 후열하여 수소가 손상을 일으키기 전에 확산되도록 합니다.이는 특히 크롬/몰리브덴/바나듐 합금과 같은 고강도강 및 저합금강에서 이루어집니다.수소원자를 수소분자에 재결합시키는 데 필요한 시간 때문에 용접작업 완료 후 24시간 이상 용접에 의한 수소균열이 발생할 수 있다.

이 문제를 방지하는 또 다른 방법은 재료 선택을 통해서입니다.이를 통해 이 프로세스에 대한 내성이 구축되어 장애에 대한 사후 처리 또는 지속적인 모니터링의 필요성이 줄어듭니다.특정 금속 또는 합금은 이 문제에 매우 민감하므로 원하는 특성을 유지하면서 영향을 최소화하는 재료를 선택하는 것도 최적의 솔루션을 제공할 수 있습니다.특정 금속과 [23]수소의 호환성을 목록화하기 위해 많은 연구가 이루어졌다.또한 ASTM F1624와 같은 시험을 사용하여 재료 선택 중 합금과 코팅의 등급을 매겨 균열 임계값이 수소 보조 응력 부식 균열의 임계값보다 낮음을 확인할 수 있다.또한 품질 관리 중에 유사한 테스트를 사용하여 신속하고 비교 가능한 방식으로 생산되는 재료를 보다 효과적으로 검증할 수 있습니다.

테스트

수소 메짐화를 위한 대부분의 분석 방법에는 (1) 생산 및/또는 (2) 음극 보호와 같은 수소 외부 공급원의 영향을 평가하는 것이 포함된다.강철의 경우 최소한 최종 부품보다 단단한(또는 단단한) 표본을 실험실에서 테스트하는 것이 중요합니다.제작은 수소 보조 균열 내성에 지대한 영향을 미칠 수 있기 때문에 표본은 최종 재료 또는 가장 가까운 대표자로 제작되어야 한다.

수소 메짐화 테스트에는 수많은 ASTM 표준이 있습니다.

  • ASTM B577은 구리 내 산화물(수소 취약성) 검출을 위한 표준 테스트 방법입니다.이 테스트는 금속학 평가(방법 A), 수소 충전 챔버에서의 테스트(방법 B), 방법 C는 B와 동일하지만 굽힘 테스트를 포함한 구리 합금의 수소 메짐화에 초점을 맞춥니다.
  • ASTM B839는 금속 코팅, 외장 나사산 물품, 고정 장치 및 로드 인클라인 웨지 방법의 잔류 메짐 테스트 표준 방법입니다.
  • ASTM F519는 도금/코팅 프로세스 및 서비스 환경의 기계적 수소취약성 평가를 위한 표준 테스트 방법입니다.7가지 샘플 설계가 있으며 가장 일반적인 테스트는 (1) 고속 테스트, ASTM F1624에 따른 Rising Step Load Test(RSL; 상승 단계 부하 테스트) 방법 및 (2) 200시간이 걸리는 지속 부하 테스트입니다.지속부하 테스트는 여전히 많은 레거시 표준에 포함되어 있지만 속도, 반복성 및 테스트의 정량적 특성 때문에 RSL 방법이 점점 더 채택되고 있습니다.RSL 방법은 내부 및 외부 공급원 모두에서 수소의 영향에 대한 정확한 순위를 제공한다.
  • ASTM F1459는 수소 가스 메짐화([32]HGE) 시험에 대한 금속 물질의 민감도 측정을 위한 표준 테스트 방법입니다.이 테스트에서는 차압이 가해지는 다이어프램을 사용합니다.
  • ASTM G142는 고압, 고온 또는 둘 [33]다에서 수소 함유 환경에서 금속의 취약성 측정을 위한 표준 테스트 방법입니다.이 시험은 수소 또는 헬륨으로 가압된 인클로저에 시험된 원통형 인장 표본을 사용한다.
  • ASTM F1624는 증분 단계 하중 기법에 의한 강철 내 수소취약 한계값 측정을 위한 표준 시험 방법입니다.이 테스트에서는 내부 수소 메짐성(IHE) 및 환경 수소 메짐성(EHE)[34][35]의 도금 및 코팅으로 인한 수소 메짐성 임계 응력에 대한 정량적 테스트를 위해 증분 단계 부하(ISL) 또는 상승 단계 부하 테스트(RSL) 방법을 사용합니다.F1624는 내부 소스 및 외부 소스 모두에서 수소의 영향에 대한 신속하고 정량적인 측정을 제공합니다(전기화학 셀에 선택된 전압을 인가하여 달성).F1624 테스트는 각 단계에서 부하가 몇 시간 동안 유지되는 상승 단계 하중 테스트의 파괴 강도와 표준 고속 골절 인장 강도를 비교하여 수행됩니다.많은 경우 30시간 이내에 실행할 수 있습니다.
  • ASTM F1940은 도금 또는 코팅된 [36]고정 장치의 수소 취약성 방지를 위한 프로세스 제어 검증을 위한 표준 테스트 방법입니다.현재 제목에는 고정 장치라는 단어가 포함되어 있지만 F1940은 원래 이러한 목적을 위한 것이 아닙니다.F1940은 F1624 방법을 기반으로 하며 F519와 유사하지만 루트 반지름과 응력 집중 계수가 다릅니다.시료에서 순파괴 강도의 75%의 역치 균열이 나타나면 도금 수조는 '비침전'으로 간주됩니다.

수소 메짐화에는 다른 많은 관련 표준이 있습니다.

  • NACE TM0284-2003(NACE International) 수소 유도 균열 내성
  • ISO 11114-4:2005(ISO)수소 연화에 강한 금속 재료를 선택하는 테스트 방법.
  • 도금/코팅 공정 및 서비스 환경의[37] 기계적 수소취약성 평가를 위한 표준 시험 방법

수소 메짐화로 인한 주목할 만한 고장

  • 개통 6개월 전인 2013년 오클랜드 베이 브릿지의 이스트 스팬이 테스트 도중 고장 났다.서비스 시작 2주 만에 스팬의 전단 볼트에서 치명적인 고장이 발생했으며, 이러한 고장은 메짐화(상기 [28][26]세부 정보 참조)로 인한 것입니다.
  • 런던 시에서는 일반적으로 '치즈그레이터'로 알려진 122 레덴홀 스트리트가 2014년과 2015년에 3개의 볼트가 고장나는 등 강철 볼트에 수소가 부서지는 피해를 입었다.3,000개의 볼트 대부분은 600만 [38][39]파운드의 비용으로 교체되었습니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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