Rozwiązanie zagadki transportu wodoru w metalach

Bywa, że w temperaturze pokojowej atomy wodoru są absorbowane przez strukturę metalu i rozpraszane przez jej ziarna. Wodór może być gromadzony w formie atomowej lub molekularnej. Niezależnie od formy, atomy i molekuły połączą się, tworząc małe bąbelki na granicach między ziarnami metalu. Bąbelki te powodują narastanie ciśnienia do poziomów, w których metale tracą swoją plastyczność, a w efekcie powstają drobne pęknięcia.

Podatność materiałów na kruchość wodorową zależy od cech charakterystycznych ich mikrostruktury oraz obecności defektów. Naukowcy zainicjowali projekt MULTIHY (Multiscale modelling of hydrogen embrittlement), finansowany przez UE, by stworzyć narzędzia do oceny transportu wodoru w stopach o dużej wytrzymałości i złożonej mikrostrukturze oraz lepiej zrozumieć zjawisko kruchości wodorowej.

Badacze określili powiązania między wpływem aspektów strukturalnych w mikro- lub nanoskali a czynnikami narażenia na kruchość wodorową dającymi się zmierzyć w skali makro. Techniki analityczne, testy fizyczne i dane z faktycznych instalacji produkcyjnych posłużyły do opracowania wieloskalowej struktury modelowania transportu wodoru od poziomu atomowego po poziom komponentów.

Zespół MULTIHY wybrał trzy przemysłowe analizy przypadku, tj. komory spalania w pojeździe do wynoszenia satelitów na orbitę, nadwozie samochodowe z komponentów białych i łożyska turbin wiatrowych. We wszystkich trzech przypadkach przeanalizowano mikrostrukturę zaawansowanych materiałów oraz oceniono dyfuzję wodoru i parametry pułapkowania na podstawie eksperymentów i modelowania atomowego.

Aby zapewnić dokładność bez nadmiernego obciążenia obliczeniowego, badacze potrzebowali zbilansować i zintegrować różnice czasowe i przestrzenne między modelami atomowymi a modelami elementów skończonych. Badacze posłużyli się kinetycznymi symulacjami metodą Monte Carlo w celu wykorzystania wyników obliczeń atomowych jako parametrów wejściowych dla modeli elementów skończonych.

Opracowane w projekcie MULTIHY metody modelowania wieloskalowego pomogą kilku gałęziom przemysłu w podejmowaniu decyzji dotyczących doboru materiałów i metodologii obróbki dla danych produktów końcowych. Kroki, które można by podjąć w celu zredukowania kruchości wodorowej, obejmują obniżenie ekspozycji wodorowej i niskotemperaturowej obróbki cieplnej (wypalania).