수소 취성 이해: 원인, 영향 및 예방

수소 취성은 민감한 금속에 수소가 흡수되어 연성 손실과 하중 지지 능력 감소를 초래하는 현상입니다. 취성 재료의 항복 응력 이하의 응력도 균열과 치명적인 취성 파손을 초래할 수 있습니다. 수소 취성은 수소 유도 균열 또는 수소 공격이라고도 합니다.

실온에서 수소 원자는 금속 격자에 흡수되어 결정립을 통해 확산될 수 있습니다. 흡수된 수소는 원자 형태 또는 결합된 분자 형태로 존재할 수 있습니다. 형태에 관계없이 원자나 분자는 금속 결정립 경계에서 작은 기포를 형성합니다. 이 기포들은 금속 결정립 사이의 압력을 증가시키는 압력 집중기 역할을 합니다. 압력은 금속의 연성을 감소시키는 수준까지 증가하여 재료 내부에 미세 균열을 형성하게 할 수 있습니다. 균열은 입계간입니다. 즉, 균열이 금속 결정립 경계를 따라 성장합니다. (자세한 내용은 수소 블리스터링과 수소 취성: 원인 및 예방 조치 참조.)

아래 그림은 수소 취성으로 인한 파손 예시를 보여줍니다. 왼쪽 이미지는 파단된 크롬 도금 강철 볼트의 거시적 모습을 보여줍니다. 오른쪽 이미지는 파단면의 주사 전자 현미경 이미지를 보여줍니다. 파단면의 면상 외관은 입계 파단을 나타냅니다. 볼트는 크롬 전기 도금 공정 중에 취성이 생겼습니다.

파단된 볼트와 파단면의 주사 전자 현미경 이미지.

수소 취성으로 인한 파손에는 세 가지 필수 요소가 필요합니다:

1. 취약한 소재
2. 수소를 포함하는 환경에 노출
3. 잔류 및/또는 가해진 응력에 의한 인장 응력 존재

고강도 탄소강과 저합금강은 수소 취성에 가장 취약한 합금입니다. 극한 인장 강도가 1000 MPa 미만이거나 경도가 30 HRC 미만인 강철은 일반적으로 수소 취성에 취약하지 않은 것으로 간주됩니다. (또 다른 예는 아연의 수소 취성 문제: 새로운 지침 논의 기사에서 찾을 수 있습니다.)

수소는 실온 또는 고온에서 금속 표면에 진입하고 확산됩니다. 이는 다양한 제조 및 조립 작업 또는 운영 사용 중 어디서든 금속이 원자 또는 분자 수소와 접촉할 때 발생할 수 있습니다.

수소 취성을 유발할 수 있는 공정에는 인산염 처리, 산 세척, 전기 도금, 아크 용접이 포함됩니다. 이러한 공정 동안 물질에 수소가 흡수될 가능성이 있습니다. 예를 들어, 아크 용접 중에는 수분이 용접 전극 코팅 등에서 방출되어 수소가 방출됩니다(이를 최소화하기 위해 고강도 강철 용접에는 특수 저수소 전극이 사용됩니다).

사용 중에는 부식, 금속과 산의 화학 반응, 또는 다른 화학 물질(특히 황화수소의 황화 응력 부식에서의 역할)과의 반응 결과로 수소가 금속에 유입될 수 있습니다.

파손을 일으키는 응력으로서는 구성 요소 내 잔류 응력조차도 충분할 수 있습니다.

수소 취성을 피하기 위해 취할 수 있는 조치에는 수소 노출 감소, 도금 후 베이킹, 수소 흡수를 유발하는 기타 공정 후 베이킹이 포함됩니다. 베이킹은 수소가 금속에서 확산되어 빠져나가도록 합니다. 베이킹이 선택 사항이 아닌 경우, 더 낮은 강도의 강철 사용과 잔류 및 가해진 응력 감소는 수소 취성으로 인한 파손을 피하는 가능한 방법이 될 수 있습니다. 이는 구성 요소가 사용 중일 때 수소 흡수가 발생하는 상황에 가장 좋은 옵션일 수 있습니다.