تردی هیدروژنی و تردی پیرکرنشی

تردی هیدروژنی نوعی تبدیل داکتیل-به-ترد در فولاد است که در اثر جذب اتم های هیدروژن توسط فولاد به وجود می آید. حساسیت به تردی هیدروژنی از نوع فولاد، پیشینه عملیات حرارتی  و درجه کار سرد قبلی انجام شده بر روی فولاد تأثیر می پذیرد. در فولاد گالوانیزه شده، واکنش فولاد با اسید حین اسیدشویی قبل گالوانیزه می تواند منبع هیدروژن باشد و گرمای وان گالوانیزه سبب آزاد شدن بخشی از هیدروژن جذب شده گردد. در عمل، تردی هیدروژنی در فولاد گالوانیزه شده تنها زمانی نگران کننده خواهد بود که استحکام کششی نهایی فولاد بیش از (150ksi) 1100 MPa بوده یا قبل از اسیدشویی تحت کار سرد شدید قرار گرفته باشد [ASTM A143] .

احتمال بروز تردی هیدروژنی یا ایجاد ترک های سطحی در فولاد با افزایش بیش از حد دما و/یا زمان اسیدشویی و عدم استفاده از اینهیبیتور در محلول اسیدشویی افزایش می یابد. حرارت دهی فولاد تا دمای f (300°F) 150°C بعد از اسیدشویی و قبل از گالوانیزه گرم در اغلب موارد سبب خروج هیدروژن جذب شده از فولاد می گردد [ASTM A143].

چنانچه نگرانی در مورد اسیدشویی بیش از حد فولاد وجود دارد یا فولاد پراستحکام با استحکام کششی نهایی بیش از 1100MPa، باید گالوانیزه شود، می توان از تمیزکاری بلاست و در ادامه، اسیدشویی فوری (Flash Pickling) برای تمیز کردن سطح فولاد استفاده نمود[ASTM A143] . عملیات بلاست حین تمیزکاری سطح فولاد هیدروژن تولید نمی کند و اسیدشویی فوری (کمتر از 30 ثانیه غوطه وری در وان اسید) [American Galvanizers Association] نیز تنها جهت زدودن آخرین اثرات بلاست از سطح فولاد پیش از گالوانیزه گرم انجام می گیرد.

دماهای پایین، خطر شکست ترد تمامی فولادهای کربنی ساده گالوانیزه شده را افزایش می دهد. نرخ کاهش داکتیلیته با دما برای فولادهای مختلف متفاوت است. بنابراین دمای کاربری مورد انتظار باید در انتخاب فولاد مد نظر قرار گیرد.

در بست های پراستحکام (با سختی حداقل 33HRC) نیز احتمال تردی هیدروژنی داخلی وجود دارد. چنانچه در الزامات استاندارد قید شده یا توسط مشتری درخواست شود، پوسته زدایی مکانیکی (با و یا بدون اسیدشویی فوری) یا پخت باید انجام شود تا خطر تردی هیدروژنی داخلی کاهش یابد. عملیات پخت باید بعد از اسیدشویی و قبل از گالوانیزه گرم انجام بگیرد [ASTM F2329].

نوع دیگری از تردی یا کاهش داکتیلیته در فولاد اغلب ناشی از پیرکرنشی است. پیرکرنشی به نوعی افزایش سختی و استحکام با تأخیر اطلاق می شود که در نتیجه وجود کرنش های ناشی از کار سرد در فولادهای حساس به این تردی بروز می کند. دماهای کاربری پایین، خطر شکست ترد تمامی فولادهای کربنی ساده گالوانیزه شده را افزایش می دهد. نرخ کاهش داکتیلیته با دما برای فولادهای مختلف متفاوت است. بنابراین دمای کاربری مورد انتظار باید در انتخاب فولاد مد نظر قرار گیرد [ASTM A143].

کاهش داکتیلیته در فولادهای کار سرده شده به فاکتورهای متعددی اعم از نوع فولاد (درجه استحکام، ویژگی های پیرسازی)، ضخامت فولاد و درجه کار سرد بستگی دارد و شدت آن در نواحی ای که تمرکز تنش در آنها بیشتر است، مانند تنش های ناشی از شکاف، سوراخ، نوارهای کم شعاع، خم های تیز و …، افزایش می یابد[ASTM A143] .

بسیاری از سازه ها و قطعات از فولاد نوردی سرد یا با بکارگیری تکنیک های کار سرد ساخته می شوند و کار سرد شدید ممکن است باعث بروز تردی پیرکرنشی در فولاد شود. با اینکه کار سرد احتمال تردی پیرکرنشی را افزایش می دهد، تردی ممکن است تا زمانی که قطعه گالوانیزه نشده مشهود نباشد. دلیل این امر این است که پیرسازی چنین قطعه ای در دمای محیط به کندی پیش می رود، اما در دمای بالای حمام گالوانیزه، به سرعت پیشرفت می کند [American Galvanizers Association].

عملیات هایی مانند پانچکاری، برش لبه ها، ساخت نوارهای با قطر کم، برشکاری، دای کات (Shearing) یا خمکاری شدید (شکل 1) ممکن است سبب تردی پیرکرنشی فولادهای حساس به این نوع تردی شوند.

استاندارد ASTM A143 با عنوان “محافظت در  برابر تردی محصولات فولادی گالوانیزه گرم شده و نحوه شناسایی تردی”، و استاندارد CSA G164 با عنوان “گالوانیزه گرم قطعات با شکل نامتعادل: کار سرد و تنش‌زدایی” رهنمودهایی را ارائه می دهند. با این وجود توصیه می شود از اعمال کار سرد شدید بر روی فولادهای حساس به تردی خودداری شود[American Galvanizers Association].

احتمال بروز تردی پیرکرنشی در فولادهای کار سرده شده با ضخامت کمتر از یک هشتم اینچ (3mm) که بعداً گالوانیزه می شوند کم است. با توجه به اینکه کار سرد، قوی ترین فاکتور مؤثر بر تردی فولاد گالونیزه شده است، توصیه هایی به جهت کاهش بروز این نوع تردی پیشنهاد می گردد که در ادامه به آنها اشاره خواهد شد. اگر در مورد کاهش داکتیلیته فولاد ناشی از تردی پیرکرنشی نگران هستید، با گالوانیزه‌کار خود مشورت کنید. قبل از پذیرش تعهد گالوانیزه کردن کل بار، می توان تعدادی قطعه نمونه از قطعات کار سرد شده را گالوانیزه کرده و مورد آزمایش قرار داد.

در عین حال، توصیه های زیر [American Galvanizers Association] را در طراحی و ساخت سازه های خود لحاظ کنید تا در صورت اعمال کار سرد، فولاد دچار تردی پیرکرنشی نشود:

1- فولادی را انتخاب کنید که کمتر از 0/25 درصد کربن داشته باشد.

2- فولادی با دماهای تبدیل داکتیل-به-ترد پایین را انتخاب کنید، زیرا کار سرد دمای تبدیل را افزایش داده و گالوانیزه (حرارت دهی) ممکن است این دما را بالاتر نیز ببرد.

3- از فولادهای آرام شده با آلومینیم استفاده کنید. این نوع فولادها عموماً حساسیت کمتری به تردی پیرکرنشی نشان می دهند.

4- در خمکاری فولادهایی که بین 0/1 تا 0/25 درصد کربن دارند، شعاع خم باید حداقل سه برابر ضخامت مقطع سازه باشد. چنانچه خم کمتر از این مقدار اجتناب ناپذیر باشد، ماده باید در دمای ­^o595°Cبه مدت یک ساعت به ازای هر اینچ (4/25mm) از ضخامت مقطع تنش گیری شود.

5- شکاف ها (دندانه ها) عامل افزایش تنش در سازه هستند و باید از بروز آنها جلوگیری کرد. این شکاف ها ممکن است حین عملیات برش یا پانچ به وجود بیایند. توصیه می شود عملیات برش، بخصوص در سازه های سنگین، با شعله یا اره انجام شود.

6- برای سوراخکاری قطعاتی که ضخامت مقطع بیشتر از سه چهارم اینچ (19mm) دارند، به جای پانچ کردن از مته‌کاری استفاده کنید. چنانچه سوراخ ها به وسیله پانچ کردن ایجاد شوند، باید سوراخ با سایز کمتر زده شده و سپس به اندازه یک هشتم اینچ (3mm) اضافه تر گشاد شود یا با مته به سایز درست رسانده شود.

7- اگر پانچکاری سرد تحت شرایط مناسب انجام شود، در سازه هایی که ضخامت مقطع بین یک‌چهارم تا سه‌چهارم اینچ (19mm تا 6/5)  دارند تأثیر قابل توجهی به وجود نخواهد آورد.

8- قطعات کوچک تا ضخامت یک‌چهارم اینچ (6/5mm) که در اثر پانچکاری تحت کار سرد قرار گرفته اند نیازی به تنش گیری پیش از عملیات گالوانیزه ندارند.

9- لبه های سازه های فولادی با ضخامت مقطع بیش از پنج‌هشتم اینچ (15/88mm) که تحت بار کششی قرار می گیرند، باید ماشینکاری شده یا با ماشین برش بخورند. لبه های مقاطع تا 15/88mm را می توان با دای کات (Shearing) برش داد.

10- فولاد مورد استفاده در کاربردهای حساس، طبق توصیه فولادساز نباید در دمای بالاتر از ­^o650°Cکار گرم شود. در صورتی که اعمال کار سرد اجتناب ناپذیر باشد، قطعه باید طبق آنچه در مورد 4 گفته شد تنش گیری شود. ماده ای که حداکثر یک‌چهارم اینچ (6/5mm) ضخامت دارد نیاز به تنش زدایی قبل از گالوانیزه گرم ندارد.

11- فولادی که ضخامت لبه بیش از پنج‌هشتم اینچ (16mm) دارد و تحت بار کششی قرار می گیرد را به روش های معمول برش بزنید. لبه های تا ضخامت پنج‌هشتم اینچ (16mm) را می توان به روش دای کات برش زد.

12- در کاربردهای حساس، فولاد باید مطابق با توصیه های سازنده فولاد تحت عملیات کار گرم در دمای بالای F(1200°F) 650°Cقرار بگیرد. چنانچه اعمال کار سرد اجتناب ناپذیر باشد، قطعه را تنش زدایی نمایید.