Водородните атоми динамично променят вътрешната структура на неръждаемата стомана. Водородът позволява на вътрешните дефекти в метала да се движат по начини, които обикновено не са възможни, което може да доведе до неочаквани повреди.
Откритието предлага изключително важни познания, които биха могли да помогнат за създаването на по-безопасни и надеждни водородни горивни системи, резервоари и тръбопроводи. Уникалното наблюдение е дело на изследователи от Оксфордския университет и Националната лаборатория Брукхейвън.
В свой експеримент екипът използва усъвършенствана техника за рентгеново изображение, за да проследи как малките дефекти в неръждаемата стомана (наречени дислокации) реагират на влиянието на водорода.
Това наблюдение е важно, защото хвърля повече светлина върху ролята на водорода при отслабване или повреда на металите – а подобно знание би могло да помогне за проектиране на здрави сплави от ново поколение за съхранението, преноса и „горенето“ на водорода като най-актуално средство за съхранение на енергия.
„Водородът има голям потенциал като чист енергиен носител. Но той е известен и с това, че прави материалите, с които влиза в контакт, по-крехки,” обяснява водещият изследовател д-р Дейвид Янг от Национална лаборатория Брукхейвън.
“За първи път наблюдавахме директно как водородът променя начина, по който дефектите в неръждаемата стомана се държат дълбоко в метала, при реалистични условия. Това знание е от съществено значение за проектирането на сплави, които са по-устойчиви в екстремни среди, включително бъдещи самолети, задвижвани с водород, и инсталации за ядрен синтез“, допълва той.
Тъй като икономиките по света се стремят да преминат към енергийни системи без изкопаеми горива, водородът се рекламира като идеалното “гориво” за трудно декарбонизиращи се сектори като корабоплаването и авиацията.
Водородът обаче може да причини неочаквано напукване в металите (известно като водородна крехкост), което застрашава целостта на съдове за високо налягане, тръбопроводи и критични компоненти в енергийните системи.
Инженерите отдавна знаят, че водородът влияе върху характеристиките на метала. Ала точните механизми в атомен мащаб бяха неуловими досега.
Чрез образно наблюдение на стоманен съд с водород в продължение на 12 часа, новият експериментът разкри три ключови промени в метала под влиянието на водорода:
- дислокациите стават неочаквано подвижни: вътрешните дефекти започват да се движат и да се преоформят, дори без допълнително външно напрежение. Това предполага, че водородът действа като “смазка” в атомен мащаб, която позволява дефектите да се движат по-лесно;
- наблюдавано е изненадващо движение на дефектите извън равнината: това изместване нагоре, известно като „изкачване“, е неочаквано и сигнализира, че водородът позволява на атомите да се пренареждат по начини, които обикновено не са възможни при стайна температура. Смята се, че този процес играе критична роля за намаляване на твърдостта на сплавите;
- полето на деформация около дислокацията намалява значително с натрупването на водород: полето на деформация е зоната около дефекта, където атомите се избутват или издърпват от мястото си, позволявайки на материала да се приспособи към дефекта.
Това проучване предоставя първото директно, 3D експериментално измерване на теоретичен ефект, наречен водородно еластично екраниране, при което водородът намалява полетата на деформация на дефектите, като ефективно екранира околния метал.
Откритието помага да се обясни защо водородът може да доведе до неочаквани увреждания в металите – той позволява вътрешните дефекти да се движат по-лесно и по начини, които обикновено не са възможни.
