Hidrojen gevrekleşmesi (hidrojen kırılganlığı), metal malzemelerin içine nüfuz eden hidrojen nedeniyle beklenmedik şekilde kırılganlaşmasıdır. Yani metal, hidrojen atomlarını bünyesine alması sonucu sünekliğini (elastik deformasyon kapasitesini) kaybeder ve çatlamaya yatkın hale gelir. Bu durum, malzemenin normalde dayanabileceği yüklerin çok altında kırılmasına yol açabilir. Hidrojen gevrekleşmesinin ciddiyeti, metalin soğurduğu hidrojen miktarına ve mikroyapısına bağlıdır. Özellikle yüksek mukavemetli (sert) metaller hidrojenden daha fazla etkilenir. Ayrıca bu etkinin ortaya çıkması için genellikle malzeme üzerinde bir çekme gerilimi de bulunmalıdır.
Hidrojenin Metale Girişi
Hidrojen atomik formda metal kafesine girdiğinde hızla difüze olarak iç boşluklar ve dislokasyonlar gibi kusurlarda birikebilir. Metaller, üretim ve kullanım süreçlerinde farklı şekillerde hidrojene maruz kalabilir. İç hidrojen genellikle imalat sırasında alınır. Örneğin ergiyik metalin suyla teması, kaynak esnasında rutubetli elektrot kullanımı veya asitle temizleme (dağlama) ile elektrolitik kaplama işlemleri sırasında açığa çıkan atomik hidrojen metale nüfuz edebilir. Dış hidrojen ise servis ortamından gelir. Metal, korozyon sırasında suyun indirgenmesiyle açığa çıkan hidrojen atomlarını soğurabilir. Benzer şekilde, yüksek basınçlı hidrojen gazına maruz kalan tank ve boru hatları gibi sistemlerde, H2 gazı yüzeyde atomlarına ayrışarak metal içine sızabilir. Uygulamada, iyi kontrol edilmemiş asidik kaplama işlemleri veya nemli kaynak uygulamaları sonrasında, yüksek mukavemetli çelik parçaların birkaç gün içinde hidrojen gevrekleşmesi nedeniyle çatlayabildiği bilinmektedir.
Hidrojenin Metale Girişinin Şematik Gösterimi (Yapay Zeka Tarafından Oluşturulmuştur.)
Gevrekleşme Mekanizmaları
Hidrojenin metal içindeki varlığı, malzemenin mikroyapısındaki kusurlarla etkileşerek çatlak oluşumunu ve yayılımını kolaylaştırır. Bu olguyu açıklamak üzere literatürde çeşitli teoriler öne sürülmüştür. Örneğin, hidrojenin metal atomları arası bağları zayıflatarak kırılma direncini düşürdüğü (hidrojenle ayrışma teorisi, HEDE) veya dislokasyon hareketlerini kolaylaştırarak malzemede lokal deformasyonlara yol açtığı (hidrojenle lokal plastikleşme teorisi, HELP) belirtilmektedir. Ayrıca, yüksek hidrojen konsantrasyonlarında atomların birleşerek boşluklar içinde H2 basıncı oluşturması sonucu mikro-çatlaklar ve yüzey kabarcıkları meydana gelebilir. Titanyum gibi bazı metallerde ise hidrojenin gevrek metal hidridleri oluşturup bunların çatlamasıyla kırılmaya sebep olduğu gösterilmiştir. Gerçekte bu mekanizmaların birkaçı aynı anda etkili olabilmekte ve tek bir açıklama tüm hidrojen gevrekleşmesi vakalarını kapsamayabilmektedir.
Etkilenen Malzemeler
Hidrojen gevrekleşmesi en ciddi şekilde yüksek mukavemetli çeliklerde ortaya çıkar. Çekme dayanımı ~1000 MPa’nın altında (yaklaşık Rockwell C 32 sertliğinden yumuşak) olan çelikler genellikle bu etkiye karşı duyarlı değildir. Dayanım arttıkça ise hidrojenin neden olduğu süneklik kaybı ve beklenmedik kırılma riski yükselir. Bunun yanında, titanyum ve nikel alaşımları gibi HCP (hekzagonal) veya HMK (hacim merkezli kübik) yapılı metaller de hidrojenin zararlı etkilerine maruz kalabilir. Örneğin titanyum alaşımlarında, hidrojenin titanyum hidrür (TiH2) fazları oluşturarak malzemeyi gevrekleştirdiği bilinmektedir. Öte yandan, östenitik paslanmaz çelikler ile alüminyum ve bakır gibi YMK (yüzey merkezli kübik) yapılı metaller, oda sıcaklığında hidrojen gevrekleşmesine karşı daha dirençlidir. Alüminyum alaşımlarında hidrojen daha çok döküm sırasında gözenek (porozite) oluşturarak mukavemeti düşürse de, ortam sıcaklığında klasik anlamda bir hidrojen gevrekleşmesi meydana gelmez.
Hidrojen Gevrekleşmesi Sonrası Gevrek Kırılma Gösteren Yüzey Görüntüsü (Yapay Zeka Tarafından Oluşturulmuştur.)
Kırılma Belirtileri
Hidrojen gevrekleşmesine uğramış bir metal parça, çoğu zaman belirgin bir uyarı vermeden ani ve gevrek şekilde kırılır. Üstelik bu kırılma genellikle yük uygulandıktan belli bir süre sonra gerçekleşir. Bu nedenle hidrojen gevrekleşmesi gecikmeli kırılma olarak da bilinir. Hidrojene maruz kalan yüksek mukavemetli bir malzeme, hizmete girdikten saatler veya günler sonra dahi aniden kopabilir. Kırılan parçanın yüzeyi incelendiğinde, sünek kırılmalardaki gibi boyun verme veya çekme izleri görülmez. Bunun yerine, kırılma yüzeyi tane sınırları boyunca ilerlemiş parlak ve granüler bir yapı sergiler.
Önleme Yöntemleri
Hidrojen gevrekleşmesini önlemek için malzeme seçimi ve süreç kontrolleri büyük önem taşır. Öncelikle, mümkün olduğunda bu etkiye hassas yüksek mukavemetli malzemeler yerine daha dayanıklı alaşımlar seçilmelidir. Özellikle yüksek sertlikteki çelik parçalarda asidik ortamlarda yapılan elektrolitik kaplamalardan kaçınılmalıdır. Eğer kaplama yapılacaksa, işlem sonrasında yaklaşık 190 °C’de birkaç saat fırınlama yaparak malzeme bünyesine nüfuz eden hidrojenin uzaklaştırılması sağlanmalıdır.
Taneler Arası Kırılma Belirtileri Gösteren UNS N07725’in Hidrojen Gevrekleşmesi (Iannuzzi, Barnoush, and Johnsen 2017)【1】
Bunun yanı sıra, imalat süreçlerinde hidrojen girişini en aza indirmeye yönelik önlemler alınmalıdır. Örneğin, kaynak sırasında kuru elektrot kullanmak, asidik banyolara inhibitör ilave ederek korozyon sonucu açığa çıkan hidrojeni azaltmak gibi yöntemler etkilidir. Ayrıca, yüzeyde basma gerilimi oluşturan bilyalı dövme (shot peening) gibi işlemler hidrojen kaynaklı çatlak başlangıcını zorlaştırarak malzemeyi daha dirençli hale getirir. Güncel araştırmalar alaşımlara hidrojen tutucu elementler ekleyerek veya mikroyapıyı optimize ederek, hidrojen atomlarını zararsız tuzaklarda biriktirmeyi hedeflemektedir. Bu sayede, malzeme içinde hidrojenin kritiklik arz eden bölgelerde toplanması önlenerek gevrekleşme riskinin azaltılması amaçlanmaktadır.
Hidrojen gevrekleşmesi hem mühendislik hem de güvenlik açısından kritik bir problemdir. Yüksek dayanımlı metal parçalar, hidrojenin sızmasıyla beklenmedik şekilde kırılarak arızalara ve kazalara yol açabilir. Bu nedenle malzeme seçiminde ve üretim-işletme süreçlerinde hidrojenin zararlı etkisini önleyecek tedbirler alınmalıdır. Özellikle hidrojen gazının depolanması ve taşınmasıyla ilgili uygulamalarda, kullanılacak malzemelerin bu etkiye karşı dayanıklı olması büyük önem taşır.
