titKovové materiály prochází mnoha různými výrobními technologiemi než jsou dodány zákazníkům ve formě hotového produktu. Tyto technologie mohou zlepšit vlastnosti materiálu, ale při jejich špatné volbě a postupu provedení je možné materiál narušit natolik, že může dojít k jeho následnému poškození.


U výrobků často dochází i k cyklickému namáhání materiálu (šrouby, pružiny), a proto je při volbě i zkouškách materiálů nezbytné zohlednit i toto cyklické namáhání.
Oceli, především vysokopevnostní, jsou velmi náchylné na křehkost. Křehkost je velmi nebezpečným druhem porušení a závisí především od mechanických vlastností materiálu (houževnatosti) a následného technologického zpracování ocelí.

* * * * *
Při poměrně malé spotřebě energie a nepatrné tvárné deformaci se porušení vlivem křehkosti materiálu šíří velkou rychlostí.
* * * * *

Křehkost může být způsobena nevhodným tepelným zpracováním, ale i nedodržením postupů povrchové úpravy oceli. Při určení, o jakou křehkost v případě poškození součásti se jedná, je vždy potřeba jít zpět do historie zpracování materiálu či výrobku.

Vodíková křehkost
Vodíková křehkost nastává při napadení ocelí vodíkem. Způsobuje jejich křehkost, respektive zhoršení mechanických vlastností (tažnost, houževnatost). Vodík difunduje do ocelí při splnění dvou podmínek: na povrchu kovu musí být vysoké množství atomů vodíku (musí probíhat stálé doplňování nových vodíkových iontů). Druhou podmínkou je schopnost difuze vodíku kovem.
Rychlost difuze vodíku do ocelí je dána především jeho koncentrací na povrchu kovu. Koncentrace na povrchu kovu je výsledkem rychlosti uvolňování vodíkových atomů. Čím intenzivněji probíhá například elektrolýza, tím více vzniká atomů vodíku.
Vznik vodíkových atomů ovlivňují teplota elektrolytu, koncentrace roztoků, intenzita elektrického proudu i vlastnosti kovového povrchu (složení, čistota, drsnost). [1], [2], [3]

obr1
Obr. 1: Schéma difuze vodíku do vad materiálu kovu


Vliv vodíku na mechanické vlastnosti materiálu se projevuje především při malých rychlostech deformace. Při vyšší rychlosti deformace se ocel stane znovu plastickým materiálem. Nebezpečí výskytu křehkosti ocelí je tím větší, čím větší je pevnost materiálu. Křehkost zapříčiněná vodíkem může být dějem vratným, ale i nevratným, o to více nebezpečným. Vratný děj nastává při správném tepelném zpracování bezprostředně po vniknutí vodíku do materiálu. Škodlivý vliv vodíku se projevuje již při obsahu nad dva ml ve 100 gramech oceli. [4]
V povrchových úpravách vodík vzniká při procesech elektrolýzy, kde dochází ke katodické reakci.

* * * * *
„Výrobky z vysokopevnostní oceli by pokud možno neměly být mořeny.“
* * * * *

Mezi tyto technologie patří elektrolytické odmašťování a pokovování povrchu kovu nebo při moření povrchu kovu. V těchto procesech je vodík v roztocích přítomný jako hydratovaný iont. Vodík přebírá z katody elektron a hydratovaný iont se rozpadá na vodu a atom vodíku.

Tuto reakce lze popsat takto:
• V kyselém prostředí: 2 H3O+ + 2e- → H2 + 2 H2O
• V alkalickém prostředí: 2 H2O + 2e- → H2 + 2 OH-

K pronikání vodíku do materiálu kovu dochází mnohem více u moření součásti, než u vlastního elektrochemického pokovení.
Při moření je materiál vystaven vysoké koncentraci vodíku v lázni delší dobu. Při moření dochází postupně ke dvěma reakcím.

V první reakci nevzniká samotný vodík:
Fe2O3 + 6 HCl → 2 FeCl3 + 3 H2O

Pokud je díl v lázni déle, nebo je na některých místech více nečistot, dochází k druhé reakci. V této reakci se začne rozpouštět základní kov vlivem kyseliny, protony jsou v tomto případě oxidačním činidlem, oxidují železo a jsou přitom samy redukovány na elementární vodík:
Fe0 + 2 H+ → Fe2+ + H2

Výrobky z vysokopevnostní oceli by pokud možno neměly být mořeny. Pokud je nutné tuto technologii použít, je vhodné zajistit snížení stupně pokrytí povrchu atomárním vodíkem přidáním inhibitorů, případně neprodleně po moření provést odvodíkování. [6], [7]

Popouštěcí křehkost
Popouštěcí křehkost ocelí se velmi často zaměňuje za vodíkovou křehkost ocelí. Popouštění vysokopevnostních ocelí je v určitém rozsahu teplot doprovázeno vznikem křehkosti. K nevratné křehkosti dochází při teplotě cca 250 – 400 °C, tato křehkost se nazývá nízkoteplotní popouštěcí křehkost. Příčinou této křehkosti je precipitace cementitu na povrchu útvarů martenzitu, k čemuž dochází při rozpadu zbytkového austenitu. V další oblasti vyšších teplot 450 – 600 °C dochází k vysokoteplotní křehkosti. Při této teplotě nastává segregace prvků nečistot a některých prvků (P, S, Sn, Sb, Bi) na hranice původních austenitických zrn a k následnému rozvoji odstranitelné křehkosti materiálu. Tento druh křehkosti je buď izotermický (křehkost se vyvíjí přímo za popouštěcí teploty) nebo anizotermicky (křehkost vzniká i za vyšších teplot).

obr2
Obr. 2: Výskyt nízkoteplotní a vysokoteplotní popouštěcí křehkosti [5]


Anizotermická složka je odstranitelná novým ohřevem a rychlým ochlazením z popouštěcí teploty, proto je tato křehkost označena za vratnou, tedy odstranitelnou. [5]
Při vzniku nového výrobku by se nemělo vycházet pouze z ekonomických požadavků na úpravu povrchu. Je nutné brát v potaz volbu základního materiálu, konstrukční řešení, provozní podmínky a technologické provedení povrchových úprav.

Použitá literatura:
[1] Friedrich, R.: Vodíková koroze a křehkost kovů. Praha: SNTL, 1963.
[2] Pluhař, J., Koritta, J.: Strojírenské materiály. 2. Praha: SNTL – Nakladatelství technické literatury, 1977.
[3] Macek, J., Janovec, J., Jurči, P., Zuna, P.: Kovové materiály, Nakladatelství ČVUT, Praha 2006.
[4] Hrdinová, H., Kreibich, V.: Stanovení vlivu vodíku na povrchově upravený materiál. In: 49. celostátní aktiv galvanizérů. Jihlava: Česká společnost pro povrchové úpravy, 2016, s. 4. ISBN 978-80-905648-2-4.
[5] 22. Dny tepelného zpracování: mezinárodní konference = International Conference on Heat Treatment. Praha: Asociace pro tepelné zpracování kovů, 2008. ISBN 978-80-254-3067-5.
[6] Hrdinová, H., Kreibich, V., Kudláček, J.: Vliv vodíku na povrchově upravený materiál. Praha, 2016. ISBN 978-80-87583-15-9.
[7] Mitura, K., Landová, S.: Vměstky v oceli a jejich vliv na užitné vlastnosti. Praha: SNTL – Nakladatelství technické literatury, 1986. ISBN 04-407-86.

TEXT/FOTO: Ing. Hana Hrdinová, doc. Ing. Viktor Kreibich, CSc. – FS, ČVUT v Praze