Dlaczego stale o dużej zawartości węgla łatwo pękają? Część 1

2022-06-24

Pręty o dużej zawartości węgla pękały wielokrotnie, np. wałki ze stali 45#, które pękają po krótkim czasie użytkowania. Pobierając próbki pękniętych części i przeprowadzając analizy metalograficzne, często nie można znaleźć przyczyny, nawet jeśli znalezienie jakiejś przyczyny jest naciągane, nie jest to rzeczywista przyczyna.

Aby zapewnić wyższą wytrzymałość, do stali należy również dodać węgiel, z którego wytrącają się węgliki żelaza. Z elektrochemicznego punktu widzenia węglik żelaza pełni rolę katody, przyspieszając reakcję rozpuszczania anodowego wokół podłoża. Zwiększenie udziału objętościowego węglików żelaza w mikrostrukturze przypisuje się również właściwościom węglików o niskim przepięciu wodorowym.
Powierzchnia stali łatwo wytwarza i absorbuje wodór. Gdy atomy wodoru przedostaną się do stali, udział objętościowy wodoru może wzrosnąć, a w efekcie odporność materiału na kruchość wodorową znacznie się zmniejszy.
Znaczące zmniejszenie odporności na korozję i kruchość wodorową stali o wysokiej wytrzymałości nie tylko pogarsza właściwości stali, ale także znacznie ogranicza jej zastosowanie.
Na przykład, gdy stal samochodowa jest narażona na działanie różnych środowisk korozyjnych, takich jak chlorki, pod wpływem naprężeń, mogące wystąpić zjawisko pękania korozyjnego naprężeniowego (SCC) będzie stanowić poważne zagrożenie dla bezpieczeństwa nadwozia samochodu.
Im wyższa zawartość węgla, tym niższy współczynnik dyfuzji wodoru i wyższa rozpuszczalność wodoru. Uczony Chan zaproponował kiedyś, że różne defekty sieci, takie jak osady (jako miejsca pułapek dla atomów wodoru), potencjał i pory, są proporcjonalne do zawartości węgla. Wzrost zawartości węgla będzie hamował dyfuzję wodoru, więc współczynnik dyfuzji wodoru jest również niski.
Ponieważ zawartość węgla jest proporcjonalna do rozpuszczalności wodoru, im większy udział objętościowy węglików jako pułapek atomów wodoru, tym mniejszy współczynnik dyfuzji wodoru wewnątrz stali, tym większa rozpuszczalność wodoru, a rozpuszczalność wodoru zawiera również informację o wodorze dyfuzyjnym, dlatego podatność na kruchość wodorową jest najwyższa. Wraz ze wzrostem zawartości węgla maleje współczynnik dyfuzji atomów wodoru i wzrasta powierzchniowe stężenie wodoru, co jest spowodowane spadkiem przepięcia wodorowego na powierzchni stali.