Vetytalous : teräksen vaatimukset vety-ympäristössä

Abstract

Vetytalouden käyttöönoton kannalta on tärkeää tutkia vedyn vaikutusta teräksen mekaanisiin ominaisuuksiin. Vety voi haurastuttaa terästä, mikä on erityisesti ongelmallista vedyn kuljetukselle ja säilönnälle. Tässä työssä selvitetään, miksi vety haurastuttaa terästä ja miten vetyhaurastuminen tapahtuu. Käydään eri teräksiä läpi, jotta saadaan monipuolinen näkemys vedyn vaikutuksesta teräkseen. Jos vety-ympäristöön sopivia teräksiä löytyy, käydään läpi niiden vetyhaurastumista estävät ominaisuudet. Selvitetään myös, kuinka nämä ominaisuudet saadaan valmistettua. Työ toteutetaan kirjallisuuskatsauksena, jossa käytettyjen lähteiden luotettavuus sekä ajankohtaisuus on varmistettu.

Teräksen mikrorakenne vaikuttaa erittäin paljon siihen, kuinka vety vaikuttaa teräkseen. Teräkset, jotka ovat rakenteeltaan tilakeskeisiä, ovat alttiimpia vetyhaurastumiselle kuin esimerkiksi rakenteeltaan pintakeskeiset teräkset. Erityisen altis vetyhaurastumiselle on martensiittinen teräs. Vety kuitenkin haurastuttaa kaikkia teräksiä ja heikentää niiden mekaanisia ominaisuuksia, kuten lujuutta, kovuutta ja sitkeyttä. Kaikkien tässä työssä käsiteltyjen terästen plastisuus heikentyi huomattavasti vetyaltistumisen jälkeen. Teräksissä oli nähtävissä murtumapinnan muuttuminen sitkeästä hauraaksi lohkomurtumaksi ja näennäiseksi lohkomurtumaksi. Yleisin haurastumismekanismi oli vedyn edistämä lokaaliplastisuus (HELP) ja toiseksi yleisin oli vedyn edistämä epäkoheesio (HEDE). Vetyhaurastumista voidaan ehkäistä muun muassa lämpökäsittelemällä terästä ja lisäämällä siihen karbideja. Vetyhaurastuminen on monimutkainen tapahtuma, jota täytyy vielä tutkia. Vain näin voidaan kehittää entistä paremmin vety-ympäristöön soveltuvia teräksiä.

It is important for hydrogen economy to research hydrogen’s effect on steel. Hydrogen can embrittle steel’s mechanical properties which makes transporting and storing hydrogen a problem. In this thesis, it is considered why hydrogen embrittlement happens to steel and how the embrittlement mechanism works. Multiple different steels are examined to get versatile understanding of hydrogen embrittlement. If a steel has properties that help fight embrittlement, those properties are studied, and their production methods are observed. This thesis is a literary review which uses reliable and diverse sources.

The microstructure of a steel has a great impact on how hydrogen affects it. Steels that have a body centered lattice are more susceptible to hydrogen embrittlement than steels with a face centered lattice. Especially vulnerable to embrittlement is martensitic steel. Even if some steels are more susceptible than others, they all suffer from hydrogen embrittlement. Their mechanical properties, such as strength, hardness, and toughness, are weakened due to hydrogen. Every steel’s strain, that was examined in this thesis, reduced considerably due to hydrogen exposure. The fracture surfaces of the steels turned from a ductile fracture to a cleavage or quasi-cleavage fracture. The most common embrittlement mechanism was hydrogen enhanced localized plasticity (HELP) and the second most common was hydrogen enhanced decohesion (HEDE). Hydrogen embrittlement can be prevented by heat treating the steel and adding carbides into it. Hydrogen embrittlement is a complex process that requires more research. It is only then that manufacturing of steels suitable for a hydrogen atmosphere can occur.