SAKARYA ÜNİVERSİTESİMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü

HASAR ANALİZİHidrojen Gevrekliği

Bilgehan GÜVEN1250Y10065

• Korozyon Nedir?

Metalik malzemelerin içinde bulundukları

fiziksel,kimyasal ve elektro kimyasal

ortamla reaksiyona girmeleri sonucu

hariçten enerji

vermeye gerek olmadan tabii olarak

meydana gelen olaya korozyon denir.

Korozyon TürleriTek düze korozyonYorulmalı korozyonGerilmeli korozyonErozyon korozyonuYüksek sıcaklık korozyonuGalvanik korozyonTaneler arası korozyonOyuklanma(Pitting) korozyonuKaynak bölgesi korozyonuHidrojen gevrekliği

Hidrojen Gevrekliği nedir? Hidrojen, genellikle korozyonun ve sulu çözeltilerle

yapılan elektro-kimyasal işlemlerin bir yan ürünüdür.

Atomik hidrojen: sulu, nemli ortamlarda metal yüzeylerde, hidrojen iyonuna bir proton eklenmesiyle oluşur.

Bu atomik hidrojenin metalin içine nüfuz etmesiyle meydana gelen moleküler hidrojen kombinasyonu malzemenin zorlanmasını geciktirerek şekil değiştirmeden anlık kırılmasına neden olur. Bu olaya " hidrojen kırılganlığı(gevrekliği) " adı verilir.

Hidrojen gevrekliğinde katodik reaksiyon sonucu ortaya çıkan hidrojen iyonlarının malzeme içine yayınması ve daha sonra malzeme içi mikro boşluklarda hidrojen molekülünü meydana getirirken iç gerilmelere ve dolayısıyla çatlaklara yol açması söz konusudur.

Hidrojen atomları molekül haline dönüşürken büyük bir hacim artışına neden olur ve molekül halindeki hidrojenin artık difüzlenme özelliği yoktur.

Metal içinde bulunan hidrojen molekülleri metal boşluklarında büyük bir basınç oluşturarak metalin çatlamasına neden olur. Genellikle yüksek dayanımlı hacim merkezli kübik malzemelerde görülür.

Yüksek sıcaklıklarda yapılan ısıl işlemler ve kaynak işlemi sırasında hidrojen içeren bir atmosfer (su buharı, H2S vs) varsa hidrojen kırılganlaşması meydana gelir.

H2S bu duruma sebep olan en önemli kaynaklardan birisidir ve petrol sıvılarında,doğal gazda,petrol kuyularının sıvılarında ve jeotermal sıvılarda bulunur.

Hidrojen konsantrasyonunun 10-15ppm seviyesinde bile olması bu durumun gerçekleşmesi için yeterlidir.

Hidrojenin sebep olduğu çatlaklar genellikle tanelerin içinden ilerler.

Ancak bazı alaşım sistemlerinde taneler arası çatlak ilerlemesi de söz konusu olabilir.

Temel Mekanizması

Ayrışma Teorisi

Bir korozyon çukurunda başlayan hidrojen çatlağı

Azalan yüzey enerjisi teorisi –Hidrojenin absorsiyonu metalin serbest yüzey

enerjisini azaltır. –Çatlak ucunun ilerlemesi artar.

Düzlem basınç teorisi –Katılaşma esnasında metal hidrojenle

yüklendiği zaman oluşur –Yüksek basınçlı hidrojen mikro boşluklar

oluşturur. –Aynı mekanizma hidrojenle kabarcık

oluşumunda geçerlidir.

Kabarcık Oluşturan Hidrojen Temel Mekanizması

Metal içerisine hidrojen absorbe olduğu zaman, iç kısımlara difüze olur ve moleküler hidrojen gibi çökelir.

Çatlak metalin altında olduğunda, metalin üst yüzeyi kamburlaşır. Çoğu zaman düşük mukavemetli alaşımlarda ve metallerde görülür.

İç Kısımlarda Hidrojenin Çökelmesi

• İşlem esnasında sıcak metal…

• Metal soğur …..

• Hidrojen yüksek sıcaklıklarda difüze olur Hidrojen hapsolur!

Şekil : Kutu sementasyonuyla sertleştirilmiş, su verilmiş ve temperlenmiş 29 HRC sertliğinde martensitik bir çelikte hidrojen gevrekliğinin yol açtığı korozyon X50

Hidrojen Atağı

Hidrojen metan oluşturmak için karbürlerle reaksiyona girer.

Metan baloncuklar tane sınırlarında oluşur.

Çatlak oluşturmak için baloncuklar birleşir. Tane sınırlarında dekarbürizasyon, tane sınırlarında çatlaklar ve gömülmüş metan baloncuklar sebep olur.

Hidrojen kırılganlığı riskini azaltmak ve sebep olduğu hasarları minimum seviyeye indirebilmek için izlenecek yollar

Kabarmalar, çatlamalar için; • Sülfür ve fosfor oranları düşük çelik kullanmak. • Ortamı hidrojen açığa çıkmayacak şekilde yenilemek. • Etkili yüzey kaplamalar ve inhibitörler seçmek. 

Hidrojen kırılması için • Düşük sertlikli yada yüksek dirençli alaşımlar kullanmak • Absorbe edilen hidrojeni çıkarmak için tavlama işlemine tabi tutmak. 

Yüksek sıcaklıkta hidrojen hücumu için, • Malzeme seçimine dikkat etmek. (yüksek ve düşük alaşımlı krom-molibden çelikler, bazı bakır alaşımları ve paslanmaz alaşımlar) • Sıcaklığı ve kısmi basınç hidrojenini kontrol altına almak. 

Yüksek alaşımlı çelikler, özellikle martenzitik çelikler bu tip korozyona karşı düşük direnç gösterir.

Beynitik, ferritik çelikler bu tip korozyona karşı nispeten daha dayanıklıdır.

YMK yapıya sahip alaşımlar (östenitik paslanmaz çelikler,bakır, alüminyum ve nikel alaşımları) hidrojen korozyonuna karşı nispeten daha dayanıklıdır.

Hidrojen kırılganlaşmasını engellemek için; alaşım yüksek sıcaklıklarda ısıl işleme tabi tutularak yapıdaki hidrojen ortamdan uzaklaştırılır.

Hidrojen Kırılganlığına karşı alınan önlemlerin

en yaygın olanı olan"Hidrojen Gevrekliğini

Giderme Tavlaması“dir. Tavlama işlemi

kaplamanın hemen sonrasında

gerçekleştirilmelidir. Bu işlem ne kadar erken

olursa hidrojenin metalin içinden çıkması o

kadar çabuk olur.

Metal ile kaplama arasında sıkışan hidrojen bulunduğu yerde ne kadar uzun süre sıkışıp kalırsa onu tavlama işlemiyle çıkarmak o kadar güç olur.

Eğer bir cıvatayı kaplama işleminden 4 saat sonra tavlama işlemine sokarsak zaten cıvata içinde çatlamalar başlamış olduğundan geç kalınmış demektir.

Tekrarlamak gerekirse tavlamanın zamanlaması, süresi ve sıcaklığı hidrojen kırılganlığını önlemede önemli rol oynar.

Fırınlama işlemleri en yaygın haliyle 150-200° C

sıcaklıkta iki saat yada dört saat sürer. Tavlama ısısı 200

ile 400 ° C arasında olabilir fakat 200° C'nin üstü tavsiye

edilmez.

Kaplama kalınlığının da hidrojen miktarıyla doğru orantılı

olduğu söylenebilir. Bazı kaplamacılar parçalara yüksek

akım vererek kaplamanın gözenekli olmasını sağlarlar,

bunun nedeni hidrojen kırılganlığını giderme için yapılan

fırınlama işlemi esnasında hidrojen moleküllerinin

kolaylıkla metali terk etmesini sağlamaktır..