Zırh Çeliklerinin Hidrojen Gevrekliği Davranışlarının Deneysel Yöntemlerle Belirlenmesi ve Hidrojen Giderme Operasyonunun Optimizasyonu

Abstract

Hidrojen kırılganlığı veya hidrojen destekli çatlama olarak da bilinen hidrojen gevrekliği, hidrojen atomlarının metallerin kristal kafes yapısına girmesi, difüzyonu ve maruz kalması nedeniyle bazı metalik malzemelerin (yüksek mukavemetli çelikler, titanyum alaşımları, alüminyum alaşımları, vb.) kırılgan hale geldiği veya kırıldığı karmaşık bir süreçtir. Boru hattı çelikleri, zırh çelikleri, gelişmiş yüksek mukavemetli çelikler gibi çok çeşitli farklı yapısal malzemelerin mekanik özelliklerini (örneğin, süneklik ve/veya tokluk) belirgin şekilde düşüren ciddi bir konudur. Bu tez çalışmasının amacı, FNSS Savunma Sanayi Sistemleri tarafından kullanılan MIL-DTL-12560 Class-4a ve MIL-DTL-46100 askeri şartnamelerini sağlayan zırh çeliklerinin hidrojen gevrekleşme davranışlarını deneysel yöntemlerle araştırmak ve hidrojen geri difüzyon operasyonu için sıcaklık ve zaman parametrelerini optimize etmektir. Bu kapsamda, hidrojene maruz kaldığında mekanik özelliklerin olumsuz şekilde etkilendiğini tespit etmek için, iki farklı zırh çeliğinin hidrojen yüklü ve hidrojen yüklü olmayan numuneleri ile tek eksenli çekme, basma, yüksek gerinim hızı, sertlik, darbe ve balistik testler de dahil olmak üzere çeşitli mekanik testler gerçekleştirildi. Deneysel çalışmalarda kullanılmak üzere gerekli olan hidrojen yükleme işlemi, bir elektrokimyasal hidrojen sistemi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Son olarak, hidrojenli ve hidrojensiz numunelerin kırılma yüzeylerinde mikroyapısal analizler gerçekleştirilmiştir. Mikroyapının mekanik özelliklere etkisi ayrıca araştırılmıştır.

Hydrogen embrittlement, also known as hydrogen attack or hydrogen-assisted cracking, is a process whereby metallic materials (i.e., high-strength steels, titanium alloys and aluminum alloys) become brittle or fractures due to the exposure, introduction and diffusion of hydrogen atoms through the microstructure of metals. It is a serious matter that drastically degrades the mechanical properties (e.g., ductility and toughness) of a wide range of different structural materials which include pipeline steels, armor steels, advanced high strength steels, etc. This thesis study aims to investigate the hydrogen embrittlement behavior of armor steels that conform to MIL-DTL-12560 Class 4a and MIL-DTL-46100 military specifications used by FNSS Defense Systems Inc. and to optimize the temperature and duration parameters of hydrogen back-diffusion operation to reduce the risk of hydrogen embrittlement. To characterize the embrittlement behavior of armor steels used by FNSS, various mechanical tests, including tensile tests, compression tests, high strain rate tests, hardness tests, CVN impact tests and ballistic tests, were carried out with as-received and hydrogen-uncharged specimens in order to unveil the adverse effects of hydrogen embrittlement on the mechanical properties of these steels. A cathodic hydrogen charging system was used to charge the specimens with hydrogen for mechanical tests. The effects of microstructure on the mechanical response of materials were also investigated for deeper understanding.