Röntgenstrålar med hög energi avslöjar motståndskraft mot väteförsprödning hos stål
Impact stories
Röntgenstrålar med hög energi vid det svenska strålröret gör det möjligt att se vad som händer inuti stål, i realtid, även i miljöer som efterliknar hur stålet används. Detta gjorde det möjligt för forskare från KTH och Sandvik Materials Technology att ta reda på varför stål från Sandvik är mer motståndskraftiga mot väteförsprödning än stål från deras konkurrenter.
Svenska stålföretag använder sakkunskap för att utveckla och erbjuda specialstål för säker och hållbar användning i utmanande miljöer.
Utmaningen i offshore-miljöer är exponering för väte, vilket gör stål sprött – ett problem som identifierades redan 1875.
Forskare har sedan dess arbetat med att utveckla stål som är mer motståndskraftiga mot väteförsprödning. Sådan motståndskraft var därför en central aspekt hos ett specialstål som Sandvik har utvecklat och nu säljer över hela världen – med användare som upptäcker att detta Sandvikstål håller längre än konkurrenternas stål när det används offshore.
Forskarna kunde dock inte helt förklara varför Sandvikstål presterar bättre – det var helt enkelt inte möjligt att förstå detaljerna i väte-mikrostrukturinteraktion som leder till sprödhet med hjälp av tillgängliga tekniker inom laboratorieforskning.
Förklaringen uppstod istället i en av de första tillämpningarna av det svenska strålröret 2019. Vid det svenska strålröret kan röntgenstrålar med hög energi tränga igenom stål, vilket gör det möjligt för forskare att kartlägga de väteinducerade strukturförändringarna i stål – och hur dessa strukturella förändringar varierar med tiden – i miljöer som efterliknar hur stålet används.
Forskare från KTH och Sandvik Materials Technology exponerade därför stålproverna för väte och utsatte dem för stress – och studerade hur väte snabbt rör sig i och interagerar med stålet, samt hur stålets interna struktur utvecklas.
Duplex rostfritt stål och andra duplexstål från Sandvik består av två faser: kroppscentrerad kubisk (bcc) fas och ansiktscentrerad kubisk (fcc) fas. Det finns väldigt många korn av dessa fcc- och bcc-faser fördelade i ett komplext mönster i stålen. Mätningsresultaten från synkrotronen visar att väte snabbt kan komma in i duplex rostfritt stål – men orsaka olika typer av förändringar i de två faserna.
Resultaten gav också ny kunskap: väte orsakar mer deformation av fcc-fasen, som kan frigöra mer väte än bcc-fasen, även om väte diffuserar mycket snabbare genom bcc-fasen.
Det faktum att dessa faser interagerar så olika med väte är viktigt: gränsregionerna mellan fcc- och bcc-faserna rymmer mer väte och tål mer inre stress. Den sammantagna responsen från de två faserna, som belastningsdelning, hindrar att mikrosprickor initieras, vilket ger högt motstånd mot sprödhet.
Experimenten vid det svenska strålröret var det första tillfälle då dessa väte-mikrostrukturinteraktioner observerades i realtid.
De experimentella resultaten visade också att duplex rostfritt stål med finare mikrostruktur är mindre känsligt för väteförsprödning. Den fina storleken hos mikrostrukturen är viktig: fasgränsområdet inom stålet – och därmed den gynnsamma effekten av att hindra sprickinitiering – ökar avsevärt med minskande storlek hos fasarean.
Med sin finare mikrostruktur, är Sandviks sömlösa rör följaktligen betydligt mer motståndskraftiga mot försprödning än stål med grövre mikrostruktur.
Sandvik kan använda denna kunskap vid teknisk försäljning och marknadsföring såväl som vid framtida FoU. Forskare kan nu vetenskapligt förklara fenomenet väteförsprödning av duplex rostfritt stål. Detta fall illustrerar hur utvecklingen av vetenskap, lösningen på gamla problem och stöd åt industrin kan gå hand i hand.
