Như các bạn đã biết mới đây Toyota Mirai – mẫu xe sử dụng nhiên liệu hydro đã lập kỷ lục thế giới khi chạy hơn 1000 Km chỉ với một lần sạc. Chiếc xe nạp vào nhiên liệu hydro, phản ứng điện hóa sinh giữa khí hydro và khí oxy sinh ra nước và điện , nước được thải ra và điện làm xoay động cơ khiến chiếc xe chuyển động. Tuy nhiên những thách thức không nhỏ trong việc lưu trữ, di chuyển hay nạp xả nhiên liệu hydro đang là bài toán khó cho những hãng phát triển công nghệ xe nhiên liệu này. Một trong những thách thức lớn đó chính là hiện tượng hydro làm giòn thép. Bài viết hôm nay chúng ta cùng tìm hiểu về hiện tượng này nhé.

1. Hiện tượng hydro làm giòn thép là gì?

Hiện tượng hydro làm giòn thép là hiện tượng vật liệu thép trở nên giòn do sự hấp thụ hydro trong vật liệu thép. Hydro được hấp thụ bởi thép thông qua ăn mòn, hàn, làm sạch bằng axit, mạ điện, v.v. Không rõ tại sao thép trở nên giòn khi hấp thụ hydro. Có lý thuyết cho rằng các nguyên tử hydro tập hợp lại để tạo thành phân tử và áp suất bên trong tăng lên dẫn đến phá vỡ cấu trúc thép. Có đề xuất cho rằng các nguyên tử hydro tập hợp lại trong sự sắp xếp không đồng nhất của các nguyên tử (gọi là sự lệch vị trí) cản trở cấu trúc liên kết giữa các nguyên tử sắt và làm giảm độ bền của vật liệu.

Người ta nói rằng hydro bên vật liệu thép có thể được loại bỏ ở một mức độ nào đó bằng cách xử lý nhiệt được gọi là nung, làm nóng và giữ nó ở khoảng 200 ° C. Tuy nhiên, trong các trường hợp sau đây, hiện tượng hydro giòn hóa thép có thể xảy ra vì hydro được vật liệu thép hấp thụ ít có khả năng được giải phóng hơn.

・ Quá trình xử lý nhiệt không được thực hiện ngay sau khi hydro được hấp thụ chẳng hạn như mạ.

-Nhiệt độ nung thấp hoặc thời gian nung ngắn.

- Thép có độ cứng cao đã qua quá trình tôi nhiệt và không thực hiện thêm quá trình xử lý nhiệt nào khác (HRC46 hoặc cao hơn).

- Lớp mạ zinc, lớp mạ dày và lớp mạ bóng, có hiệu quả xử lý nhiệt thấp (hydro không dễ dàng thoát ra ngay cả sau khi xử lý nhiệt).

- Do thời gian ngâm tẩy quá lâu hoặc sử dụng chất lỏng xử lý có nồng độ cao, một lượng lớn hydro đã bị ứ đọng lại.

-Có các vết khía do tạp chất hay các vật thể khác gây ra vết nứt dẫn đến ứng suất tập trung trên bề mặt của vật phẩm.

Dưới đây là ví dụ giới thiệu một trường hợp mà các bộ phận thép mạ bị hỏng do hiện tượng hydro giòn hóa thép. Trong ví dụ này, cả hai bộ phận đều bị hỏng trong tình trạng gần như mới. Kết quả quan sát bề mặt đứt gãy bằng kính hiển vi điện tử được thể hiện trên Hình 1 và Hình 2. Hình 1 cho thấy các bộ phận bằng thép có độ bền thấp và Hình 2 cho thấy các bộ phận bằng thép có độ bền cao. Sự xuất hiện của bề mặt đứt gãy khác nhau giữa Hình 1 và Hình 2, nhưng cả hai đều là bề mặt đứt gãy giòn, điều này cho thấy vật liệu bị giòn hóa. Không thể tìm thấy bất kỳ dấu vết nào của việc tác dụng lực lớn lên các bộ phận, vì vậy có thể kết luận rằng nguyên nhân là do hiện tượng hydro làm giòn thép.

                          

Hình 1                                                                               Hình 2

2. Những bước tiến mới trong quá trình nghiên cứu hiện tượng hydro làm giòn thép

Các nhà khoa học đã xác định được cách hydro làm giòn thép. Nghiên cứu do các kỹ sư tại trường Đại học Sydney thực hiện, cũng tiết lộ các chiến lược mới để thép chịu giòn được. Nhiều nhà khoa học và các nhà hoạch định chính sách vẫn hy vọng nền kinh tế hydro - sử dụng nhiên liệu hydro để cấp năng lượng cho ô tô, xe tải, máy bay và nhiều thiết bị khác - sẽ giảm đáng kể phát thải cacbon. Nhưng quá trình chuyển đổi sang nền kinh tế hydro sẽ cần có hạ tầng để phân phối và lưu trữ hydro. Tuy nhiên những thách thức là không nhỏ.

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng kỹ thuật hình ảnh tinh xảo được gọi là chụp cắt lớp đầu dò nguyên tử chuyển cryo để quan sát hành vi của các nguyên tử hydro bên trong thép. Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Science, cho thấy hydro tích tụ bên trong các vị trí lệch hoặc ranh giới ngăn cách các tinh thể thép riêng lẻ. Khi có ngày càng nhiều hydro tích tụ bên trong những vị trí lệch này, các vết gãy bắt đầu tiến triển, gây ra tình trạng giòn.

Nghiên cứu đột phá cũng tiết lộ kỹ thuật để ngăn chặn hiện tượng giòn của thép. Trong một số hợp kim thép, hình ảnh cho thấy các cụm niobi cacbua hoạt động để bẫy các nguyên tử hydro và ngăn chúng di chuyển đến và tích tụ trong các vị trí trật khớp và ranh giới tinh thể. Trong tương lai, các nhà nghiên cứu có thể sử dụng cacbua niobi hoặc các hợp chất có chất lượng tương tự tạo ra các loại thép để chống lại hiện tượng thép giòn do hydro gây ra.

Yi-Sheng Chen, trưởng nhóm nghiên cứu cho biết: "Những phát hiện này rất quan trọng để thiết kế thép chống giòn; cacbua cung cấp giải pháp để đảm bảo thép có độ bền cao không dễ bị gãy sớm và giảm độ dẻo dai khi có sự xuất hiện của hydro".

Hi vọng trong tương lai không xa các nhà khoa học sẽ sớm tìm gia giải pháp ngăn chặn hiện tượng làm giòn thép do hydro gây ra và những phương tiện sử dụng nhiên liệu hydro sẽ sớm được thương mai hóa. Trên đây là bài viết về hiện tượng hydro làm giòn thép, nếu có bất cứ ý kiến phản hồi nào xin comment ở phần bình luận bên dưới bài viết. Cảm ơn các bạn đã ghé thăm blog của chúng tôi.

Tác giả bài viết

Nguyễn Văn Hòa

Tham khảo tại: 鋼材の水素脆性（ぜいせい）について (pref.niigata.jp)