تبیان، دستیار زندگی
بعلت سریع سرد شدن جوش، معمولاً نیمی از هیدروژن جذب شده در حین جوشکاری بصورت محلول جامد فوق اشباع در جوش باقی می ماند. البته عواملی از قبیل درجه حرارت بین دو پاس، ابعاد هر پاس و ...
بازدید :
زمان تقریبی مطالعه :

ترك خوردگی هیدروژنی (2)

ترك خوردگی هیدروژنی شماره 2

مطالب قبل را از اینجا می توانید مرور کنید.

با توجه به آنچه که ذکر گردید، آن بخش از هیدروژن اتمی که پس از انجماد در جوش مانده است به یکی از صور زیر عمل می نماید:
الف:
ترکیب با عنصری از قبیل اکسیژن، گوگرد، کربن و سلنیوم و تشکیل گازهای نامحلول در فولاد که
محصول آن حبابهای گاز و تخلخل در جوش است.
ب: نفوذ بداخل فضاهای خالی و تبدیل به هیدروژن ملکولی
ج: نفوذ بداخل فضای اطراف ناخالصی های غیرفلزی و اکسیدها که احتمالاً تولید بخار آب می نماید.
د: جذب در منطقه مجاور جوش از طریق دیفوزیون
ه: دیفوزیون تا سطح کار و متصاعد شدن با تأخیر زمانی.

بعلت سریع سرد شدن جوش، معمولاً نیمی از هیدروژن جذب شده در حین جوشکاری بصورت محلول
جامد فوق اشباع در جوش باقی می ماند. البته عواملی از قبیل درجه حرارت بین دو پاس، ابعاد هر پاس و پارامترهای دیگری که روی دیفوزیون هیدروژن تاثیر دارد روی این مقدار موثر است . از آنجا که حلالیت هیدروژن در آهن و فولاد، در درجه حرارت محیط کم است، مقدار هیدروژنی که بداخل منطقه مجاور جوش نفوذ می نماید نسبتاً کم می باشد. فولادی که روی آن کار مکانیکی صورت گرفته یا فولادهای نورد شده که شمش آن از طریق فرآیندهای متداول ذوب تهیه گشته حاوی مقداری هیدروژن می باشد، که اندکی کمتر از میزان هیدروژن آن پس از ریخته گری است، زیرا در طول فرآیند نورد فرصتهایی برای فرار قسمتی از هیدروژن محبوس شده بوجود آمده است و مقدار هیدروژن در محصول نهایی، طبیعتاً تابع فرایند تولید می باشد.
به هر صورت فلز در مجاورت جوش در حین جوشکاری نیز تا حدی هیدروژن جذب می نماید و بخشی از این گاز را بصورت بین نشینی، تا دمای محیط در درون خویش حفظ خواهد نمود.

مکانیزم شکنندگی ناشی از هیدروژن
برای کنترل شکنندگی که بعلت نفوذ هیدروژن در جوش بوجود می آید بایستی مکانیزم بروز این آسیب
(Plannar Pressure « تئوری فشار سطحی » را شناخت. یکی از تئوریهای موجود، فرضیه ایست که بنام مشهور است. براساس این نظریه هیدروژن در شبکه کریستالی فولاد حل Theory) می گردد، ولی با گذشتن از حد حلالیت، هیدروژن با پناه بردن به فضاهای خالی از هر نوع و با هر اندازه سعی در فرار از شبکه را دارد. از آنجا که بطور قطع ساختار فولاد دارای نارسایی هایی در مرز دانه ها، ترکهای میکرسکپی و فضاهایی در اطراف ذرات ناخالصی می باشد، مقداری از این هیدروژن، علیرغم کوچک بودن ابعاد این گسستگی ها، جذب آنها می گردد و پس از جذب از حالت اتمی به فرم ملکولی تبدیل می شود و لذا فشار داخلی در درون این حفره ها بشدت بالا می رود . این فشارداخلی بسهولت در منطقه، تنش های سه محوری بوجود می آورد که نتیجه آن، حساس شدن شدید منطقه نسبت به بروز ترك و شکستهای ترد می باشد.

نظریه دیگری مطرح می سازد که هیدروژن پس از جدا شدن از شبکه، توسط سطوح نارسایی های داخلی شبکه و ترکهای میکروسکپی جذب می گردند. براساس این مکانیزم انرژی سطحی کاهش می یابد و لذا مقدار کمی تنش هم قادر خواهد بود ترکهای موئینه میکروسکپی را تا حد ترك و گسستگی گسترش دهد.

هر دوی این تئوریها از این واقعیت الهام می گیرند که هیدروژن در شبکه کریستالی فولاد در کلیه سطوح از جمله هر نوع حفره و نارسایی داخلی متصاعد می گردد، این عمل تا زمانیکه تعادل بین فشار جزیی
هیدروژن اتمی و ملکولی بوجود نیامده است ادامه دارد. بنابراین چنین بنظر می رسد که شکنندگی ناشی از هیدروژن همان مکانیزم رسوب در امتداد نارسایی ها و نقاطی که دارای انرژی آزاد قابل حصول هستند، می باشد با این تفاوت که عنصری که رسوب می کند بصورت گاز بوده و قادر به ایجاد سختی رسوبی نمی باشد و لذا باعث تضعیف منطقه و آسیب پذیر شدن آن می گردد.

البته تئوریهای فوق الذکر قادر به توضیح جزئیات نمی باشند. بعنوان مثال در برخی مواقع گرمایش یا فولادی که بعلت وجود هیدروژن ترد گردیده باعث احیا و بازیابی خواص آن می گردد (Backing) پخت ولی در مواردی هم بی تاثیر است. در صورتیکه این شکنندگی ناشی از افزایش فشار داخلی در حفره ها و
فضاهای داخلی شبکه باشد، چگونگی تاثیر عمل پخت روی کاهش و زدایش این فشار داخلی قابل توجیه نمی باشد و یا تاثیر عمل پخت روی تجزیه هیدروژن ملکولی محبوس شده و تبدیل آن به هیدروژن اتمی که قادر باشد حداقل با دیفوزیون خود را به سطح کار رسانده و متصاعد گردد، قابل توضیح نیست. تحقیقات و بررسیها نشان می دهد که هیدروژن ملکولی که در فضاهای خالی جای می گیرد باندازه هیدروژن اتمی که در شبکه مانده است خطرناك نمی باشد.

مطرح گردیده است. این تئوری با « دیفوزیون تنش زای هیدروژن » امروز تئوری جدیدی مبتنی بر فرضیه
این فرض شروع میشود که هیدروژن در شبکه کریستالی فولاد وجود دارد و لزومی هم ندارد که مقدار آن آنقدر بالا باشد که بحد فوق اشباع برسد. در واقع حتی مقدار خیلی کم هیدروژن هم می تواند در یک فولاد با استحکام بالا، ایجاد شکنندگی بنماید.

شکنندگی و ترك توسط هیدروژن در سه مرحله مشخص بوجود می آید:
الف: جوانه زنی و پیدایش
ب: رشد آرام ترك
ج: رشد سریع و گسترش آن که حتی گاهی اوقات تا مناطق با هیدروژن کمتر و غیرشکننده نیز ادامه یافته و شکست اتفاق می افتد.

در مرحله باروری و پیدایش ترك، هیدروژن تحت نیروی رانشی که ناشی از گرادیان تنشی است حرکت می کند. هیدروژن میل به حرکت و متمرکز شدن در مناطقی را داراست که غلظت تنشهای سه بعدی آن مناطق بالا بوده و در نتیجه نیروی چسبندگی فلز پایین می باشد.

در این مناطق حضور هیدروژن در اطراف نارسایی ها، ترکهای میکروسکپی، ناهمواریها و شیارهای سطحی نسبت به فشار داخلی هیدروژن ملکولی در حفره ها و فضاهای خالی در ایجاد شکنندگی بسیار موثرتر است.

با رسیدن مقدار هیدروژن در این مناطق پر تنش به یک سطح بحرانی، پیدایش ترك آغاز می گردد. این ترك بلافاصله شروع به رشد کرده و گسترش آن ادامه می یابد تا به منطقه ای خارج از محدوده با سطح تنش بالا، که استحکام فلز قادر باشد سد راه آن گردیده و رشد آنرا متوقف سازد برسد . با متوقف شدن حرکت ترك، تنش های چند بعدی در نوك ترك شروع به متمرکز شدن می کنند و افزایش سطح این تنش ها تا آنجا ادامه پیدا می نماید که بتواند بر نیروی مقاومتی فلز فائق آمده و راه را برای رشد مجدد ترك هموار سازد . این چرخه تجمع هیدروژن، پیدایش ترك، گسترش ترك تا زمانیکه شرایط فوق الذکر بر منطقه حاکم باشد تکرار می گردد و اینگونه رشد ناپیوسته ترك در فولادی که بعلت حضور هیدروژن شکننده شده، بطور تجربی هم مشاهده گردیده است. با رسیدن این ترك (توسط رشد آرام و منقطع) به ابعاد بحرانی، ترك بسرعت گسترش یافته و باعث بروز شکست و گسیختگی ناگهانی در کار می گردد.

میزان شکنندگی که در فولاد بعلت حضور هیدروژن بوجود می آید، تابع استحکام فولاد می باشد، با بالا رفتن استحکام فولاد، حتی حضور مقدار ناچیز هیدروژن نیز باعث ایجاد شکنندگی می گردد.

شکنندگی تابع درجه حرارت نیز می باشد زیرا درجه حرارت، سرعت دیفوزیون هیدروژن را تعیین می کند، خطرناکترین درجه حرارت برای شکننده شدن، دمای بین " ١٠٠ ٓ " الی " ٩٠ + " درجه سانتیگراد است، زیرا در درجه حرارتهای خیلی پایین سرعت دیفوزیون هیدروژن آنقدر زیاد نیست که بتواند در منطقه ای که تمرکز تنش وجود دارد، تا سطح بحرانی انباشته شود و در درجه حرارتهای بالا، هیدروژن این فرصت را دارد تا بسرعت از طریق دیفوزیون خود را به سطح کار رسانده و متصاعد گردد.

بنابراین گسترش و رشد ترك تابع سرعت دیفوزیون هیدروژن در رسیدن به مناطق پرتنش است و از اینروست که درجه حرارت نقش مهمی را پیدا می نماید.

معمولاً ترك در مناطقی ایجاد می گردد که در ابتدا هیدروژن در یک سطح بحرانی وجودندارد بلکه گرادیان تنشی آنرا بسوی این منطقه میراند. البته اگر فولاد عاری از هیدروژن باشد این نوع تردی هیچگونه آسیبی به کار نمی رساند زیرا هرچه مقدار هیدروژن کمتر باشد، احتمال رسیدن آن به سطح بحرانی در مناطق پرتنش کمتراست.

اندازه سطح مقطع هم روی آسیب پذیری کار نسبت به شکنندگی ناشی از هیدروژن موثر است البته اندازه سطح مقطع روی عوامل دیگری هم تاثیر دارد که از جمله اندازه دانه بندی و پیچیده بودن توزیع تنش های داخلی، ناهمگونی در ترکیب شیمیایی و آنیزوتروپی در خواص مکانیکی را می توان نام برد. بهرحال علاوه بر این مسائل، مقاطع ضخیمتر، نسبت سطح به حجم را کاهش می دهند و در نتیجه هیدروژن بایستی مسافت بیشتری را برای رسیدن به سطح برای متصاعد شدن طی کند . لذا هیدروژن زدایی در مقاطع ضخیم کندتر صورت می گیرد و زمان برای پخت ، متناسب با مجذور ضخامت افزایش می یابد.

در بروز ترك سرد، هیدروژن نقش بسیار موثری را ایفا می نماید. در اتصالی که بعلت وجود هیدروژن شکننده شده، ممکنست بلافاصله پس از سرد شدن جوش ترك سرد ایجاد شود و یا ممکنست با گذشت زمان، کار، ترك بخورد و به همین دلیل به آن ترك تاخیری می گویند.

ترك تاخیری تحت تاثیر تلفیقی از عوامل زیر ایجاد می گردد:
الف: حضور هیدروژن .
ب: گرادیان تنشی.
ج: آسیب پذیر بودن ساختار میکروسکپی نسبت به این گونه شکنندگی .

ترك در ساختار مارتنزیتی بعلت وجود هیدروژن محتمل تر است، با این ساختار و حضور مقدار متناسبی
هیدروژن، با اعمال تنش در حدی پایین تر از نیروی چسبندگی شبکه، در کار ترك بوجود می آید. بطور کلی با افزایش مقدار هیدروژن، تنش لازم برای شکستن کار کاهش می یابد. درجه حرارت گذار (مرز تردی) در فولاد هم با افزایش مقدار هیدروژن، افزایش می یابد. آسیب پذیری شدید مارتنزیت نسبت به
ترك ناشی از هیدروژن بعلت بالا بودن سطح تنش های ساختاری در این شبکه است.

ساختار مختلط فریت و مارتنزیت با کربن بالا یا فریت و باینیت نیز در مقابل تردی ناشی از هیدروژن حساس است. این ساختار میکروسکپی هنگامی از استحاله فاز آستنیت بوجود می آید که سرعت سرد شدن اندکی بیشتر از سرعت بحرانی باشد، بنابراین در هر منطقه از جوش و مجاور آن که بطور موضعی این ساختار وجودداشته باشد، اولین جایی خواهد بود که ترك سرد در آن بوجود می آید و از آنجا که سرعت سرد شدن جوش و منطقه مجاور آن یکنواخت نمی باشد، بطور قطع در یک نوار باریک در فاصله ای از مرز ذوب، تشکیل این ساختار محتمل است. حتی در صورتیکه در مناطق مجاور جوش، ناهمگونی در ترکیب شیمیایی وجود داشته باشد، آن منطقه نسبت به شکنندگی ناشی از هیدروژن و بروز ترك سرد حساس خواهد بود.

یکی از ساختارهای میکروسکپی که علیرغم اهمیت آن، در مورد آن اطلاعات زیادی در دست نمی باشد، آستنیتی است که در هنگام سرد کردن سریع بهمان فرم در کار باقی مانده است. برخی فولادهای پرآلیاژ در هنگامی که سریع سرد می شوند، بخشی از آستنیت تغییر فاز نداده و در زمینه مارتنزیت بصورت آستنیت باقی می ماند، و برای از بین بردن آن نیاز به عملیات حرارتی زیر صفر می باشد. با توجه به حلالیت قابل ملاحظه هیدروژن در آستنیت، طبیعتاً این فاز بمثابه انباره های ذخیره هیدروژن در زمینه مارتنزیت عمل خواهد نمود. این آستنیت باقیمانده اگر در درجه حرارتی بیش از 150 درجه سانتیگراد استحاله پیدا نماید هیدروژن فرصت فرار از طریق دیفوزیون را پیدا می کند ولی در غیر اینصورت هیدروژن در این فاز مانده و پس از استحاله، تشکیل محلول جامد فوق اشباع در زمینه مارتنزیتی را می دهد و این شرایط قطعاً منجر به بروز ترك سرد می گردد. فرض کنید اتمهای هیدروژن در یک پاس جوش تازه منجمد شده برای فرار از حالت فوق اشباع در حال حرکت بسوی آستنیت تازه تشکیل شده در منطقه مجاور جوش می باشند.

بعلت اینکه این منطقه عاری از هیدروژن بوده و حلالیت آستنیت هم نسبت به هیدروژن بالا می باشد . این فاز دارای پتانسیل خوبی برای جذب این هیدروژنهای فراریست. ولی با ادامه سرد شدن در این فاز هم حالت فوق اشباع پیش می آید. استحاله آستنیت فلز جوش به ساختار سوزنی شکل فریت و کاربید در فلز جوش زودتر بوقوع می پیوندد زیرا درصد کربن آن کمتر است. بعد از استحاله در فلز جوش بعلت نزول ناگهانی در حلالیت نسبت به هیدروژن و با توجه به اینکه در مجاورت جوش هنوز استحاله آغاز نگشته است بسرعت سیل اتمهای هیدروژن بسوی منطقه مجاور جوش شروع می شود. اما بدیهی است که مدت زمانی بعد در منطقه مجاور جوش هم تغییر فاز صورت می گیرد و طبیعتاً غلظت هیدروژن در این منطقه بمراتب بالاتر خواهد بود تا در خود فلز جوش .

توزیع ناهمگون هیدروژن در خود فلز جوش هم وجود دارد زیرا با توجه به سرعت سرد شدن و اینکه استحاله به فاز مارتنزیت در سطح کار که با هوا در تماس است و دمای آن پایین تر است آغاز و به سمت پایین ادامه می یابد و این درست بر خلاف جهت حرکت دیفوزیونی هیدروژن که بسمت سطح کاراست می باشد .

بدون شک هیدروژن از وجود شیارها و گوشه ها و عوامل فزاینده سطح تنش در جوش بهره جسته و شکنندگی را در پر تنش ترین مواضع که نزدیک رئوس، گوشه ها و انتهای شیارهاست محتمل می سازد. معمولاً یک دوره زایش ترك وجود دارد که در طول آن هیدروژن در حال حرکت بوده تا غلظت آن با سطح تنشهای موجود در فولاد به حد بحرانی برسد . آنگاه ترك آغاز می شود.

اینکه آیا این ترك بصورت یک ترك ماکروسکپی گسترش یافته و یا بصورت یک سری ترکهای ریز میکروسکپی و منقطع رشد نماید تابع یک سری عوامل از جمله سرعت دیفوزیون هیدروژن می باشد . یکی از جوانب مهم که در شیارها نبایستی فراموش گردد، وجود اجتماعات نابجایی های قفل شده در نقاط پرتنش انتهای رئوس شیارهاست. این اردوگاهها بمثابه نطفه های پیدایش ترك در مکانیزم شکست ترد ناشی از هیدروژن عمل می کنند.

ترك ناشی از حضور هیدروژن در منطقه مجاور جوش فولادهای سختی پذیر بسیار مسئله زا است در این شناخته می شوند. « ترکهای زیربستری » مناطق در صورتیکه ترك در نزدیکی مرز ذوب بوجود آمده باشد بنام قبلاً اشاره گردیده که ساختار مختلط فریت در زمینه ماتنزیت و یا باینیت، نسبت به تردی ناشی از هیدروژن و ترك سرد بسیار آسیب پذیر است و این نوع ساختار در منطقه مجاور جوش در فولادهای سختی پذیر پیش می آید و محل تشکیل آن، با بالا رفتن خاصیت سختی پذیری فولاد، در فاصله بیشتری از مرز ذوب در فاصله نسبتاً دوری از مرز ذوب، AISI قرار می گیرد. مثلاً در فولادهای با سختی پذیری زیاد مانند 4140 این گونه ترکها بوجود می آیند.

احتمال بروز ترك سرد در فلز جوش نسبت به فلز مبنا کمتر است و می توان یکی از دلائل اصلی آنرا پایین بودن درصد کربن در فلز جوش نسبت به فلز کار دانست ولی با وجود این احتمال، به هر حال بروز شکنندگی یا ترك سرد در جوش محتمل می باشد. یکی از عیوبی که توسط هیدروژن در جوش بوجود می (Fish Eye) « چشم ماهی » آید و از مدتها قبل نسبت به آن شناخت وجود داشته است پدیده ایست که بنام مشهور است و این عیب بصورت لکه سفید رنگی، روی بافت خاکستری رنگ شکست مشاهده می گردد . این لکه معمولاً حول یک ذره ناخالصی و یا تخلخل بوجود می آید که در ظاهر شبیه عدسی چشم می باشد.

ظاهراً وقتی که هیدروژن اتمی در یک حفره گازی و یا فضای خالی رسوب می کند و بصورت ملکولی در می آید فشار داخلی آنقدر بالا میرود که باعث تغییر فرم ناگهانی شبکه کریستالی اطراف این فضا می گردد.

این پدیده بدین معنی است که در اطراف این فضای خالی، منطقه تنش های چند محوری توام با نابجایی ها و ترکهای موئین متمرکز گردیده است. بهر حال منطقه تنش دار، تا وقتی که در انتهای تیزی یک شیار و یا یک ترك واقع نشده باشند، آنچنان مهم نمی باشند ولی این تنش های موضعی، حرکت هیدروژن اضافی بداخل منطقه و ایجاد شکنندگی ناشی از آنرا تسریع می کنند.

این عیب را می توان بسادگی با گرم کردن فلز در دمایی در حدود 100 الی 700 درجه سانتیگراد از بین برد.
درست مانند حالاتی که درجه حرارت برای حرکت نفوذی هیدروژن و رسیدن هیدروژن به سطح مطرح بود، در اینجا هم مطرح می گردد یعنی با افزایش درجه حرارت، مدت گرمایش کوتاه می گردد.

مرکز یادگیری سایت تبیان، تنظیم: مرجان سلیمانیان