Mevcut karbon bazlı yakıtlardan uzaklaşmanın üç ana nedeni vardır: çevre üzerindeki etkileri, enerji arzının güvenliği ve maliyet. Hidrojen ve yakıt hücreleri, fosil yakıt kaynaklarının eksikliğini ve hava kirliliğini çözme potansiyeline sahiptir. Hidrojen enerjisini geliştirmek için, tüm uygulamalarda - üretim, taşıma, depolama ve yakıt pilleri - hidrojenin mekanik özellikler üzerindeki etkilerini anlamak önemlidir. Hidrojenin, emilen moleküler hidrojenden üretilen atomik biçimde emildiği, özellikle çelikler olmak üzere metalik malzemeleri gevrekleştirebileceği yaygın olarak kabul edilmektedir. Absorbe edilen hidrojen daha sonra malzemeye yayılabilir ve bu da aşağıdaki hidrojen hasarı biçimlerine neden olabilir veya katkıda bulunabilir:
 

Bu hasar mekanizmaları, hidrojenin dahili olarak yüklü veya gaz halindeki bir sonucu olarak meydana gelebilir. Bu hasar mekanizmaları üzerinde önemli miktarda çalışma yapılmış olmasına rağmen, hidrojen ortamının çeliklerin yorulma performansı üzerindeki etkisi konusunda nispeten daha az çalışma bulunmaktadır. Bir bileşenin hidrojen ortamına maruz kaldığında nasıl etkilendiğini, arızanın nasıl önleneceğini veya olasılığın nasıl en aza indirileceğini anlamak için kapsamlı ve koordineli araştırma yapmak ve son olarak güvenli çalışmayı sağlamak için tasarım rehberliği ve hükümet düzenlemeleri geliştirmek için kritik verileri toplamak önemlidir. Hidrojen muhafazasını içeren altyapı.
 

Daha sonra rapor edilecek olan, hidrojen ortamının yorulma çatlağı büyüme oranları üzerindeki etkisi üzerine yapılan çalışma miktarı ile karşılaştırıldığında, hidrojenin yorulma dayanıklılığı üzerindeki etkisini belirlemek için nispeten az çalışma yapılmıştır. Bunun başlıca nedeni, hidrojenin yorulma dayanıklılığı üzerindeki etkisinin, özellikle uzun yorulma ömrü rejiminde ve pürüzsüz numuneler için yorulma çatlağı büyüme oranlarında olduğu kadar belirgin olmamasıdır.

C-Mn Çelikler

Hidrojen gazının düşük karbonlu çelik JIS S10C'nin (%0.1 karbon) hem yorulma dayanıklılığı hem de yorulma çatlağı büyüme oranları üzerindeki etkisi Noguchi ve diğerleri tarafından araştırıldı. Çeliğin, sırasıyla 203 ve 374 MPa'lık akma ve çekme dayanımları vardı. Test numuneleri, 3 mm kalınlığında düz plakalardır. 0.18 MPa'lık bir hidrojen basıncına sahip bir bölmede test edilmeden önce cilalandılar. Çatlak başlangıcını sınırlamak için 0,1 mm çapında ve 0,05 mm derinliğinde küçük bir delik işlenerek her numuneye stres konsantrasyonu uygulandı. Düşük devirli yorulma (LCF) testleri, R=-1 gerilim oranında ve 0,1 ve 6 Hz'lik döngüsel yükleme frekansları ile 40°C sıcaklıkta gerçekleştirilmiştir.

Hidrojen içinde test edilen numunelerin yorulma dayanımının nitrojene göre daha kısa olduğu ve daha düşük yükleme frekanslarında daha kısa olduğu bulundu. Bu, iki yükleme frekansında yorulma çatlağı büyüme oranı ölçümlerinin sonuçlarıyla uyumluydu.

Düşük Alaşımlı Ferritik Çelikler

Bir basınçlı kap çeliğinin (0.36C-1Cr-0.14Mo) hidrojen ortamındaki LCF performansı araştırıldı. Çeliğin akma dayanımı 847MPa idi. Üretildiği gibi dikişsiz borular, 5 döngü/saat frekansında hidrojen gazı ile döngüsel basınca tabi tutuldu. Basınç 2.0 ila 19.5MPa arasında değişmiştir. Döngüsel gerilmelerin büyüklüğü, boruların dış yüzeylerinden talaşlı imalatla duvar kalınlığı ayarlanarak kontrol edildi. Yorulma testi sonuçları, hidrolik yağda elde edilenlerle karşılaştırıldığında ticari çelik silindirlerin LCF ömürleri üzerindeki hidrojenin zararlı etkisini açıkça göstermiştir, Şekil 1. Çoğu boru daha düşük stres aralıklarında başarısız olmasa da, başarısız olan bu numuneler, hidrolik yağ ile basınç uygulanarak elde edilen verilere göre beklenenden çok daha kısa ömürlüdür. Yazarlar bu farklılığı iç kusurların hidrojen gazındaki yorulma performansı üzerindeki güçlü etkisine bağladılar. Bu, hidrojen ortamına maruz kalan ve daha düşük stres aralıkları altındaki çeliklerin yorulma performansının kusurların varlığına karşı çok hassas olduğunu öne süren önemli bir gözlemdi.

Yüksek basınçlı hidrojen gazının depolanması için bir Cr-Mo basınçlı kap çeliğinin yorulma performansı Wada ve diğerleri tarafından incelenmiştir. 6 mm çapa ve 15 mm gösterge uzunluğuna sahip LCF silindirik numuneler, bir hidrojen ortamında, R=-1'de 45 MPa basınçta test edildi. Numunenin yüzeyleri, aşındırıcı kağıt #800 kullanılarak parlatıldı. Hidrojen gazında yorulma dayanıklılığında dikkate değer bir azalma (%1'lik bir gerinim genliğinde yaklaşık bir büyüklük sırası) sadece LCF rejiminde gözlemlenirken, yüksek devirli yorulma (HCF) testleri hidrojenin neredeyse hiçbir etkisinin olmadığını göstermiştir. yorgunluk dayanıklılığı ≥ 104 döngü. Bu gözlem, cilalı numuneler üzerindeki testlerden alınmıştır. HCF rejiminde, kaçınılmaz olarak kaynak kusurları içeren kaynaklı bağlantıların yorulma dayanımı üzerindeki hidrojenin etkisini araştırmak ilginç olacaktır. Ne yazık ki, kamuya açık alanda böyle bir veri bulunmamaktadır.

Barthelemy ve arkadaşlarının çalışmasında[5] kusurlar içeren disk numuneleri, değişen gaz basınçlarıyla döngüsel olarak yüklenmiştir. Test edilen malzemeler, mukavemetleri 700 ila 1000 MPa arasında değişen Cr-Mo basınçlı kap çelikleriydi. Azot gazı ile karşılaştırıldığında, düşük çevrim ömrü rejiminde gaz halindeki hidrojende yorulma dayanıklılığının 3 ila 5 kat azaldığı bulundu.

Östenitik Paslanmaz Çelik

Hidrojen gazının 304 paslanmaz çeliğin yorulma dayanıklılığı üzerindeki etkisi Aoki ve diğerleri tarafından araştırılmıştır. 20 mm genişliğinde ve 6 mm kalınlığındaki belli tip numuneler düz plakadan hazırlanmıştır. Farklı ortamlarda test edildiler: hidrojen gazı, nitrojen gazı ve hava. Gazlar, 1 MPa'lık bir gaz basıncı ile saf hidrojen (%99.97 kütle) veya nitrojen (%99.999 kütle) idi. Numune yüzeyleri #2000 zımpara kağıdı ile parlatılmıştır. Yorulma testleri havada yer değiştirme kontrolü altında gerçekleştirilmiştir. Numuneler, R=-1 gerilme oranında, 5 Hz yükleme frekansında ve 40°C sıcaklıkta test edilmiştir.

Çatlak başlangıcı izlenerek, hidrojen basıncında yapılan testler için çatlak başlama ömrünün yorulma dayanıklılığına oranının, Ni/Nf'nin daha yüksek olduğu bulundu. Yazarlar, hidrojen ortamının çatlağın başlamasını geciktirdiğini ancak çatlak yayılmasını hızlandırdığını iddia etti. Sonuç olarak, hidrojenin yorulma ömrü üzerindeki etkisi, uzun ömür rejiminde 304 paslanmaz çelik için fark edilebilir değildi. Bu testlerde, hidrojen içinde test edilen numunelerin yorulma performansının da büyük ölçüde stres konsantrasyonuna bağlı olduğu bulunmuştur. Çatlak başlangıcı, hidrojen ortamında sadece en dar kesitte (SCF'nin en büyük olduğu) meydana gelirken, havadaki en dar kesitten uzakta meydana gelebilir, bu da hidrojen etkisinin herhangi bir stres konsantrasyonuna duyarlı olduğunu düşündürür.
 

Hidrojen ortamındaki yorulma çatlağı büyüme oranları, havadakilerle karşılaştırıldığında, genel olarak hızlandı. Hızlanmanın kapsamı, aşağıda açıklandığı gibi birçok faktöre bağlıdır.

ΔK Büyüklüğünün Etkisi

Hidrojen ortamındaki çatlak yayılma hızlarının hızlanmasının yüksek ΔK'da daha belirgin olduğu bulundu. Eşik stres şiddeti faktör aralığına yakın ΔK değerlerinde, ΔKth, hidrojen ortamının çatlak büyümesi veya ΔKth üzerindeki etkisi belirgin değildi. Benzer gözlemler, hidrojen ortamına önceden maruz bırakılan numuneler üzerinde R=0.05'te gerçekleştirilen testlerde de rapor edilmiştir. Bu davranışı, çevresel hasarın karşılıklı olarak dengeleyici etkilerine ve çatlak itici kuvvette yerel bir azalmaya bağladılar. düşük ΔK aralıklarında çatlak büyüme oranları ve hidrojen ortamına duyarsız ΔKth ile sonuçlanan çatlak kapatma ile ilgili bir mekanizma.

Bununla birlikte, Suresh ve Ritchie tarafından yürütülen çalışmada kuru hidrojendeki yorulma çatlağı büyüme oranlarının sadece yüksek ΔK rejiminde değil, aynı zamanda eşiğe yakın hızlarda da hızlandığı bulunmuştur. Akma dayanımları 290 ile 770 MPa arasında değişen dört basınçlı kap çeliği için hem hava hem de hidrojen ortamında yorulma çatlağı büyüme testleri gerçekleştirdiler. Kompakt gerilim (CT) numuneleri 0,5 ila 50 Hz arasında değişen döngüsel frekanslarda, 0,05 ila 0,75 arasında R gerilme oranı ve 0,138 ve 6,9 MPa hidrojen basınçlarında test edildi. Hidrojen içindeki testler, ortam sıcaklığında bir çevre odasında gerçekleştirilmiştir. Kuru hidrojendeki çatlak büyüme oranlarının, havada elde edilen verilerle karşılaştırıldığında, ΔK> 632N/mm3/2 (20MPa √m) ve eşiğe yakın (ΔKth tanımlı) olmak üzere iki farklı rejimde hızlandığı bildirildi. Bu araştırmada 10-8 mm/döngü büyüme oranı olarak) düşük yük oranlarında. Yüksek R oranında (R=0.75) ΔKth yakınında hidrojenin çok az etkisi görülmüştür. Yüksek büyüme oranı rejiminde tipik olarak > 10-5 mm/döngü olan çatlak büyüme hızlarının hızlanması HE mekanizmasına atfedilirken, ΔKth civarındaki artan çatlak büyüme oranlarının öncelikle kuru, oksijensiz ortamla ilişkili olduğu varsayılmıştır. Oksit kaynaklı çatlak kapanmasının yavaşlatıcı etkisini en aza indirir. Hidrojen gazında düşük mukavemetli C-Mn çeliğinin eşiğe yakın yorulma özelliklerinin bozulması da Wachob ve Nelson tarafından rapor edilmiştir.

Eşik rejimine yakın yorulma çatlağı büyüme oranları üzerinde hidrojen etkisi ile ilgili olarak neden çelişkili test sonuçlarının olduğu açık değildir. Eşik rejimi yakınında bozulmuş çatlak büyüme direncini gözlemlemek için, çatlak büyüme oranlarının yeterince düşük olması ve çatlak kapanması ile ilgili herhangi bir mekanizmadan kaçınmak için hidrojen gazının kuru tutulması gerektiği görülmektedir.

Hidrojen Basıncının Etkisi

Yorulma çatlağı büyüme oranlarının artan hidrojen basıncı ile arttığı bulundu. Holbrook ve diğerleri, X42 boru hattı çeliği üzerinde 0 (1000 psi nitrojen), 30, 250 ila 1000psi arasında değişen birkaç farklı hidrojen kısmi basıncında yorulma çatlağı büyüme testleri gerçekleştirdi. Tüm testler 695N/mm3/2 sabit ΔK, R=0.25 ve 0.1Hz yükleme frekansında gerçekleştirilmiştir. Hidrojenin yorulma çatlağı büyüme oranları üzerindeki zararlı etkisi, artan hidrojen kısmi basıncı ile arttı.

Yükleme Oranının Etkisi

Hidrojendeki çatlak büyüme oranlarının artan stres oranı R ile arttığı bulundu, ancak bağımlılık havadaki kadar hassas değildi. Benzer şekilde, eşik rejimine yakın hızlanmış yorulma çatlağı büyüme oranlarının sadece düşük bir gerilme oranında gözlendiği, ancak 0.75 gibi yüksek bir gerilme oranında gözlemlenmediği bildirildi. Tüm bu sonuçlar, hidrojendeki çatlak büyüme hızlarının havadaki ile karşılaştırıldığında, artan gerilme oranı ile azaldığını göstermiştir.

Yükleme Frekansının Etkisi

Hidrojendeki yorulma çatlağı büyüme oranlarının genel olarak azalan döngüsel yükleme frekansı ile arttığı bulundu. Holbrook ve diğerleri hidrojen gazında X42 çeliği üzerinde birkaç farklı yükleme frekansında çatlak büyüme hızı testleri yaptılar, hepsi 626N/mm3/2 sabit ΔK'da. Azottaki yükleme frekansının yorulma çatlağı büyüme hızları üzerinde gözle görülür bir etkisi yokken, hidrojende vardı, Şekil 4. Yükleme frekansının yorulma çatlağı büyüme oranları üzerinde daha güçlü bir etkisi, SA 105 çeliğinde Walter ve Chandler tarafından rapor edilmiştir. ve Lindley ve diğerleri tarafından %1 CrMo çelikte. Yorulma çatlağı büyüme hızı, yüksek ΔK rejiminde frekans 1'den 0.001Hz'e[16] düştüğünde ~5 faktörü ve frekans 10Hz'den 0.1Hz'e düştüğünde yaklaşık bir derece arttı. Uygulanan maksimum stres yoğunluk faktörü Kmax, kritik altı çatlak büyüme eşiğini aştığında, hidrojen ortamında yüksek statik yük altında bile bir çatlak büyüyebileceğinden, bu bekleniyordu. Bu nedenle, yüksek ΔK rejiminde daha yavaş bir yükleme frekansı, bir döngüde çatlak büyümesi için daha uzun bir süreye izin verecek ve daha yüksek yorulma çatlağı büyüme oranı ile sonuçlanacaktır. Bununla birlikte, eşiğe yakın rejimde, 5 ve 50 Hz'lik döngüsel frekanslarda hidrojendeki yorulma çatlağı büyüme verileri çakıştı, bu da eşik rejimine yakın yükleme frekansının gözle görülür bir etkisini önermedi.

Gaz Bileşiminin Etkisi

Battelle Laboratuvarlarında yapılan yorulma testleri sırasında, gaz halinde hidrojen içinde test edilen bazı numunelerin çatlak büyüme oranlarının havada elde edilenlere benzer olduğu tespit edildi. Gaz bileşiminin müteakip analizi, yorulma testleri sırasında gazın oksijenle kirlendiğini ve bunun da gecikmiş çatlak büyümesine neden olduğunu gösterdi. Gaz bileşiminin sıkı kontrolü ile daha sonra gerçekleştirilen tekrar testlerinin tümü, ilk test sonucundan farklı olarak, hidrojende yorulma çatlağı büyüme oranlarında hızlanma sergiledi.

Hidrojen gazına katkı maddelerinin yorulma çatlağı büyümesi üzerindeki etkisi Fukuyama ve diğerleri tarafından kapsamlı bir şekilde araştırıldı. 2.25Cr-1Mo çeliğinin hidrojen içinde az miktarda farklı katkı maddeleri ile yorulma çatlağı büyüme oranları, 758N/mm3/2 sabit ΔK ve 1.1MPa hidrojen gazı basıncında belirlendi. Saf hidrojen gazındaki çatlak büyüme hızı ile karşılaştırıldığında, hidrojene O2 ve CO gazı ilavesinin yorulma çatlağı büyüme oranlarını geciktirdiği, H2S ilavesinin ise yorulma çatlağı büyümesini açıkça hızlandırdığı görülecektir. oranlar. Yakın eşik rejiminde, Suresh ve Ritchie, nemli hidrojen gazındaki çatlak büyüme davranışının esasen havadakine benzer olduğunu buldu - hidrojen, düşük büyüme rejiminde yorulma çatlağı büyüme oranları üzerinde zararlı etki göstermedi.

Bu nedenle, hidrojenin etkisini belirlemek için yorulma testleri sırasında hidrojen gazı bileşiminin sıkı bir şekilde kontrol edilmesi esastır. Öte yandan, hidrojen gazının bazı katkı maddeleri ile 'kirlenmesi' ile hidrojenin zararlı etkisinin azaltılması veya hatta önlenmesi mümkündür. Bu, artan araştırma ilgisini çeken bir alandır.

Malzemelerin ve Mikro Yapıların Etkisi

Hidrojen saldırısı ile kırılma direncinin bozulmasının öncelikli olarak yüksek çekme mukavemeti veya yüksek sertliğe sahip çeliklerde meydana geldiği HE'den farklı olarak, gaz halindeki hidrojende bozulmuş yorulma çatlağı büyüme direnci, basınçlı kap çelikleri gibi birçok çelik türünde meydana gelebilir, maraging çelik, süper dupleks paslanmaz çelik, yüksek mukavemetli çelikler ve hatta geleneksel olarak bağışık olduğu varsayılan düşük mukavemetli C-Mn çelikleri ve östenitik paslanmaz çeliklerde HE'den. Düşük karbonlu bir çelik X42'deki yorulma çatlağı büyüme oranları, 316 ila 948N/mm3/2 arasında değişen ΔK değerleri için, havadaki ile karşılaştırıldığında 6.9 MPa'lık bir hidrojen basıncında yaklaşık 30 kat arttı. Tsay ve diğerleri hem hava hem de hidrojen ortamlarında AISI 304 paslanmaz çeliğin ana metal, kaynaklı ve gerilim giderilmiş bağlantılarındaki yorulma çatlağı büyüme davranışını araştırdı. Yorulma çatlağı büyüme testleri, R=0.1'de ve 20Hz'lik bir yükleme frekansında gerçekleştirilmiştir. Uygulanan hidrojen kısmi basıncı 0.2MPa idi. Hidrojen ve havada elde edilen yorulma çatlağı büyüme hızlarını karşılaştırarak, hidrojen içinde test edilen tüm metaller için yorulma çatlağı büyüme hızlarının yaklaşık 10 kat hızlandırıldığı bulundu.

Yorulma tasarımı için 'temel kural', HE ile ilgili endişe nedeniyle hidrojen gazı ortamında yüksek mukavemetli çeliklerin kullanılmasından kaçınmak olsa da, yorulma çatlağı büyüme oranı açısından, daha yüksek mukavemetli X70 çeliği, X42 çeliğinden daha düşük değildi. Her iki çelik de aynı kısmi basınçta, yükleme frekansında ve gerilme oranında test edildi. Malzeme mukavemetinin hidrojendeki yorulma çatlağı büyüme oranları üzerinde belirgin bir zararlı etkisi yoktu. Aslında, yüksek mukavemetli çelikler üzerinde yapılan başka bir çalışmada hidrojendeki yorulma çatlağı büyüme hızlarının hızlanmasının daha düşük mukavemetli çeliklerde daha belirgin olduğu rapor edilmiştir. Hem HY80 (akma mukavemeti=780MPa) hem de HY130 (akma mukavemeti=1020MPa) çelikleri hava ve gaz halinde hidrojen içinde 0.34MPa, R=0.07 kısmi basınçta ve 1Hz yükleme frekansında test edildi. Malzeme dayanımları havadaki yorulma çatlağı büyüme oranları üzerinde önemli bir etki göstermese de, yüksek ΔK seviyelerinde HY80'deki çatlak büyüme oranı, HY130'dakini 10 kat aşmıştır. Bu davranış, malzeme dayanımının duyarlılık üzerindeki etkisinin tersiydi. hidrojen gevrekleşmesine. Düşük mukavemetli HY80 çeliğinde daha yüksek yorulma çatlağı büyüme oranı, aslında iki çelik arasındaki mikroyapısal farkla ilgili diğer faktörlere atfedilebilir. Malzeme mukavemetinin hidrojen ortamındaki yorulma çatlağı büyüme davranışı üzerindeki etkisini araştırmak için daha fazla çalışmaya ihtiyaç vardır.
Kaynaklı Bağlantılar

Hidrojen ortamında test edilen kaynaklı bağlantıların yorulma çatlağı büyümesi hakkında sınırlı veri vardır. Tsay ve diğerleri tarafından yapılan erken çalışmalarda,[19] hem ana hem de kaynak metallerinin yorulma çatlağı büyüme davranışı 0.1 MPa'lık bir basınçta gaz halindeki hidrojen içinde bir maraging çeliği araştırıldı. Hem baz hem de kaynak metalleri üç farklı durumda ısıl işleme tabi tutuldu: eskimiş, pik yaşlı ve aşırı eskimiş. Yaşlanmanın küçük olduğu durumda, hidrojen ortamındaki yorulma çatlağı büyüme oranları, ana metalde kaynak metaline göre daha yüksekti. Bu, öncekinin HE'ye yüksek duyarlılığına bağlandı. Ancak pik yaşlı durumda, yorulma çatlağı büyüme oranı ana metalde kaynak metaline göre daha düşüktü. Kaynak metalinde taneler arası çatlak büyümesi ve yarı yarılma kırılma özellikleri baskınken, ana metalde sadece yarı yarılma gözlenmiştir.

Son zamanlarda, Tsay ve diğerleri, 304 paslanmaz çelik ana metal ve kaynak metali için (kaynaklı durumda ve gerilim giderme sonrasında) hem hava hem de hidrojen gazında 0.2MPa kısmi basınçta yorulma çatlağı büyüme hızı testleri gerçekleştirdi ve 20Hz yükleme frekansında. Yorulma çatlağı büyüme oranlarının, her üç malzemede de gaz halindeki hidrojen tarafından açıkça arttırıldığı bulundu. Hidrojene bağlı artışın büyüklüğü, çatlak büyüme ivmesinin nispeten mütevazı olduğu düşük ΔK bölgesindeki kaynaklı kaynak metali hariç, üç malzeme için karşılaştırılabilirdi. Kabul edilen test numunesinin nispeten küçük boyutu (60 x 62,5 mm kompakt numune) nedeniyle, kaynaklı numunedeki kalıntı gerilme seviyesinin imalat sırasında kısmen serbest kalması beklendiği ve bu nedenle, gerilimden kurtulmuş numunedekine benzer büyüklüktedir. Kaynaklı numunede, dolambaçlı çatlak büyüme yolu nedeniyle hidrojen gazındaki çatlak büyüme direncinin en yüksek olduğu bulundu. Bu, kaynak metalinde δ ferritin varlığının, hidrojen ortamında AISI 304 paslanmaz çeliğin yorulma çatlağı büyüme direncini daha fazla bozmayacağını ima etti.

Hidrojen içinde test edilen bir basınçlı kap çeliği üzerinde yapılan çalışmada, çatlak büyüme davranışının yüksek gerilme oranlarında ve yüksek büyüme oranlarında (>10-5 mm/döngü) benzer olmasına karşın, çatlak büyüme oranlarının yakınlarda daha hızlı olduğu gösterilmiştir. Eşik bölgesi ve ΔKth değerleri kaynak metalinde R=0.05 için, özellikle HAZ'da ana malzemeye göre daha düşüktü. Bu davranış, daha ince mikro yapıların daha doğrusal bir çatlak yolunu desteklediği yüksek mukavemetli kaynak ve HAZ bölgelerinde gaz halindeki hidrojendeki azaltılmış çatlak kapanma stresleri ile açıklanmıştır.

Sıcaklığın Etkisi

Yüksek sıcaklıklarda, moleküler hidrojen, çeliğe kolayca girebilen ve yayılabilen atomik forma ayrışır. Bu koşullar altında, hidrojenin çelikte difüzyonu daha hızlıdır. Hidrojen, çelikteki karbon ile reaksiyona girerek ya yüzey dekarburizasyonuna veya dahili dekarbürizasyona ve çatlamaya neden olabilir. API 941, belirli bir yüksek sıcaklık için izin verilen maksimum hidrojen basıncı için öneriler sağlar. Bununla birlikte, bu belgede, sıcaklığın, hidrojen ortamındaki çeliklerin yorulma özellikleri üzerindeki etkisi hakkında herhangi bir rehberlik sağlanmamıştır. Aslında, sıcaklığın yorulma çatlağı büyümesi üzerindeki etkisi üzerine yapılan çalışmalar çok sınırlıdır. Fuquent-Molano ve Ritchie, sıcaklığın hem havada hem de hidrojende yorulma çatlağı büyüme oranları üzerindeki etkisini araştırdı. 2.5Cr-1Mo çelikten hazırlanan numuneler, 0.138MPa hidrojen basıncında 28, 54, 65 ve 110°C sıcaklıklarda test edildi. Gerilim oranı ve yükleme frekansı sırasıyla 0.05 ve 50Hz idi. Test sonuçları, artan sıcaklıkla hem hava hem de gaz halindeki hidrojendeki çatlak büyüme oranlarının arttığını ve ΔKth'nin azaldığını, ancak sıcaklığın etkisinin daha yüksek büyüme hızlarında azalmasına rağmen gösterdi. Bununla birlikte, hidrojende 110°C'deki çatlak büyümesi, bu eğilime karşı çıktı ve önemli ölçüde daha yüksek eşik değerleri gösterdi.

Stewart, hidrojen ortamında bir basınçlı kap çeliğinin çatlak büyüme davranışı üzerindeki sıcaklığın etkisini araştırdı ve onun sonucu, yukarıdaki gözlemin tersiydi. Uygulanan 10Hz, 1Hz ve 0.1Hz'lik üç yükleme frekansının tümü için, sıcaklığı 23°C ila 85°C aralığında artırmanın etkisinin, hidrojen tarafından kademeli olarak azaltılmış bir hızlanmaya neden olduğunu buldu. 85 °C'de, havada 23 °C'de belirlenen verilerle karşılaştırıldığında, hidrojende çatlak büyümesinde önemli bir artış olmadı.

Hidrojen Ortamında Hızlandırılmış Çatlak Büyüme Oranları İçin Mekanizma
Hidrojen gevrekliği dekohezyon teorisi ile açıklanmıştır. Bu teori, döngüsel yükleme altında hidrojende artan çatlak büyüme oranı için kısmi bir açıklama sağlasa da, düşük dayanımlı çeliklerde deneysel sonuçlarla uyuşmayan sadece marjinal bir etki öngörür. Suresh ve Ritchie, hidrojendeki çatlak büyüme hızlarının hızlanmasının iki ΔK rejiminde meydana geldiğini buldu: biri çatlak büyüme oranları ≥105 mm/döngü ve diğeri eşiğe yakın. İki rejimde artan çatlak büyüme oranlarını açıklamak için iki farklı mekanizma önerilmiştir. Düşük ΔK rejiminde, artan çatlak büyümesi, hidrojendeki azaltılmış çatlak kapanması nedeniyle havada olduğundan daha yüksek etkili stres yoğunluğu faktör aralığı ΔKeff'e bağlandı. Yüksek ΔK rejiminde (normalde >632N/mm3/2), hızlanmaya genellikle taneler arası kırılma yüzeyleri eşlik etti. Suresh ve Ritchie bu rejimde artan çatlak büyümesini HE'ye bağladılar. Uygulanan döngüsel yüklerin çatlak ucunu keskinleştirdiği, hidrojenin emmesi ve gevrekleşmesi için yeni açığa çıkmış metal bir yüzey sağlayarak, yorulma çatlağı büyüme oranlarının hızlanmasıyla sonuçlandığı düşünüldü.
 

Boru hattı endüstrisinde, hidrojen etkisinin kontrolü için 'temel kural', yüksek mukavemetli çeliklerin kullanılmasından kaçınmaktır. Bununla birlikte, esas olarak yüksek mukavemetli ferritik çeliklerde meydana gelen HE'den farklı olarak, hidrojen gazında yorulma çatlağı büyümesine karşı bozulmuş direncin hem ferritik hem de östenitik çeliklerde ve hem yüksek hem de düşük mukavemetli çeliklerde rapor edildiği yukarıdaki incelemeden açıkça görülmektedir. Gaz halindeki hidrojenin yorulma çatlağı büyüme oranları üzerindeki zararlı etkisi, ΔK büyüklüğü, hidrojen basıncı, yükleme frekansı, stres oranı, gaz bileşimi, mikro yapı vb. gibi birçok faktöre bağlıdır. Hidrojen gazının etkisi yorulma çatlağı büyüme oranları üzerinde yorulmadan daha belirgindir. çeliklerin dayanıklılığı. İkincisi, pürüzsüz numunelerde uzun ömür rejiminde (>105 döngü) zararlı etkiyi pek göstermez.

Hidrojen etkisi, çatlak büyüme hızı üzerinde daha şiddetli olduğundan ve bileşenlerde kusurların varlığını dışlamak zor olduğundan, kazan ve basınçlı kaplar için yeni ASME Kodu kuralları, yüksek basınçlı hidrojende hidrojen altyapılarının tasarlanması için kırılma mekaniği yaklaşımının kullanılmasını önermektedir. Yeni kurallar, yüksek basınçlı hidrojen gazında basınçlı kapların yapımında kullanılacak malzemelerin yorulma çatlağı büyüme oranlarının ve kırılma direnci özelliklerinin belirlenmesini gerektiriyor. Şu anda, ASME B31.12 Görev Grubu, gerçek malzeme test verileri mevcut olana kadar sistem tasarımını daha muhafazakar hale getirmek için 'Tasarım faktörlerini' kullanmaktadır. 'Tasarım faktörlerinin' sınırlı verilere dayandığı ve yüksek ΔK aralığında çatlak büyüme oranlarının belirlenmesi, yüksek hidrojen basıncı, düşük yükleme frekansı, düşük stres gibi hidrojen etkisi için en şiddetli koşullar altında elde edildiği anlaşılmalıdır. Bu nedenle, 'tasarım faktörlerini' kullanma yöntemi, bazı uygulamalar için aşırı tutucudur. Bu nedenle, gereksiz ihtiyatlılıktan kaçınmak için gerekli verilerin hizmete uygun test koşulları altında elde edilmesi arzu edilir. Ayrıca, kaynaklı bağlantıların yorulma ömürleri esas olarak küçük çatlakların büyümesiyle kontrol edildiğinden ve kaynaklı bağlantılar kaçınılmaz olarak kusurlar içerdiğinden, gaz halindeki hidrojendeki 'ömrü azaltma faktörünü' belirlemek için kaynaklı bağlantılar üzerinde yorulma dayanıklılık testleri yapmak gerekli olacaktır. Bu, kırılma mekaniği analizine dayalı olarak tahmin edilmiştir.

Çeliklerin hidrojen içindeki yorulma performansını iyileştirmek için, hidrojen etkisi kusurların varlığına karşı çok hassas olduğundan, taşıma, korozyon, imalat veya kaynaktan kaynaklanan kusur riskini en aza indirmek için proje yönetimi ve denetim prosedürlerine sahip olmak önemlidir. Ayrıca, yüzey kaplamaları benimseyerek veya çatlak büyümesini geciktirmek için hidrojen gazına katkı maddeleri geliştirerek hidrojenin zararlı etkisini azaltmak veya hatta ortadan kaldırmak için kapsamlı araştırmalar gereklidir. 
 

Hidrojen gevrekliğinden farklı olarak, çeliklerin hidrojen içindeki yorulma performansı hem ferritik hem de östenitik çeliklerde ve hem düşük hem de yüksek mukavemetli çeliklerde düşer.

Hidrojen gazı ile bozunma, çeliklerin yorulma dayanıklılığına göre yorulma çatlağı büyüme hızına göre daha belirgindir. İkincisi üzerindeki hidrojen etkisi, yalnızca düşük döngü rejiminde ve numuneler ciddi bir çentik veya kusur içerdiğinde belirgindir.

Havadaki çatlak büyüme oranlarıyla karşılaştırıldığında, hidrojendeki ivme ΔK büyüklüğüne bağlıdır. En büyük hidrojen etkisinin genellikle yüksek ΔK rejiminde meydana geldiği bulunur.

Hidrojen kısmi basıncının artmasıyla çatlak büyüme direncinin bozulması artar. 0.2MPa kadar düşük hidrojen basıncında çatlak büyüme hızlanması meydana gelebilir.

Hidrojendeki çatlak büyüme oranlarındaki hızlanma, azalan yükleme frekansı ile artar.

Havada olduğu gibi R gerilme oranı arttıkça hidrojende de çatlak büyüme hızları artsa da, düşük gerilme oranında hızlanma daha belirgindir.

Malzeme mukavemetinin hidrojendeki yorulma çatlağı büyüme oranları üzerindeki etkisi kesin değildir.