Sciencemag.cz
Doporučujeme
Vysokopevnostní oceli jsou náchylné k vodíkovému zkřehnutí, pokud do jejich struktury vstoupí atomární vodík.
Technopark Kralupy Vysoké školy chemicko-technologické v Praze uvedl do provozu nové unikátní zařízení – tomograf pro studium struktury materiálů. Přístroj bude využíván především ke studiu vnitřní struktury pevných materiálů, odhalování výrobních vad nebo vad vzniklých při používání, a to ve spolupráci s průmyslovou sférou.
Výpočetní tomografie se hojně používá v medicíně jako základ radiologické vyšetřovací metody umožňující neinvazivní zobrazení vnitřních orgánů a tkání člověka pro diagnostiku širokého spektra poranění a chorob. Materiálový tomograf pracuje na stejném principu. „Zkoumaný objekt je prozářen z nejrůznějších úhlů v jedné rovině a ze získaných projekcí jsou počítačově rekonstruovány plošné řezy. Pro prozáření kovových, keramických a dalších pevných materiálů je však zapotřebí výrazně vyšší energie rentgenového záření,“ říká doktor Václav Šefl z výzkumné skupiny kovových konstrukčních materiálů.
Tomograf d2 od německé firmy Diondo má maximální urychlovací napětí 240 kV a výkon 50 W a díky kombinaci vysokého stupně fokusace a přesné manipulaci se vzorkem umožňuje dosahovat velmi vysokého rozlišení. Hlavní předností je silný rentgenový zdroj, umožňující prozařování i rozměrných dílů, v závislosti na materiálu. U menších vzorků lze naopak dosahovat velmi vysokého rozlišení, až 1 µm. Takové rozlišení je dostatečné pro sledování trhlin v kovových materiálech, ale i pro studium velikosti části jemnozrnných materiálů a mnoho dalších aplikací.
Zcela unikátní je integrovaný stolek pro mechanické zatěžování a systém pro kontrolu teploty a vlhkosti prostředí. Tato kombinace umožňuje mechanické namáhání vzorku a současné nastavení podmínek pro kondenzaci nebo sušení. Při kontaminaci povrchu vzorku tak lze iniciovat a ovlivňovat míru korozního napadení. Právě kombinace tahového namáhání a korozního poškození vede u mnoha materiálů ke vzniku korozního praskání a selhání dílu v poměrně málo korozivním prostředí při působení nízkých úrovní mechanického napětí.
„Přístroj budeme nabízet našim partnerům ke studiu vnitřní struktury pevných materiálů, odhalování výrobních vad nebo vad vzniklých při používání, jako jsou trhliny, póry, dutiny a korozní důlky, studiu vnitřních, jinak nedostupných povrchů, a podobně“ říká doktor Šefl s tím, že vzhledem k tomu, že se jedná o komplikované a drahé zařízení, nejčastěji půjde o tzv. kolaborativní výzkum s průmyslovou sférou. „V současnosti jsou připraveny projekty zaměřené na podporu moderních vodíkových technologií,“ doplňuje doktor Šefl.
Cesta k plynnému vodíku
V souvislosti s přechodem na „zero-emission“ technologie se v mnoha oblastech uvažuje o použití plynného vodíku. Ten lze vyrábět elektrolýzou vody s použitím přebytků elektrické energie z fotovoltaických nebo větrných elektráren, jejichž výkon v čase značně fluktuuje. Vyrobený vodík je pak možné přidávat do zemního plynu do stávajících rozvodné soustavy. Pro tento scénář je však nutné zaručit bezpečnost fungování plynovodů pocházejících převážně z poloviny minulého století, s čímž souvisí rozsáhlý výzkum pro vyloučení praskání vlivem vodíku.
„Přítomnost, případný vznik a šíření trhlin způsobených vstupem disociovaného atomárního vodíku do struktury oceli je možné studovat právě pomocí našeho tomografu,“ vysvětluje doktor Šefl.
Ocel pro automobilový průmysl
Další oblastí, kde vodík může způsobovat problémy, je použití vysokopevnostních ocelí. Tyto jsou aplikovány v celé řadě oblastí, z nichž nejvýznamnější je automobilový průmysl. Nahrazování tradičních ocelových konstrukčních prvků umožňuje nezanedbatelné snížení hmotnosti automobilu a následné úspory paliva. Vysokopevnostní oceli jsou však náchylné k tzv. vodíkovému zkřehnutí, pokud do jejich struktury vstoupí atomární vodík. Ten může vznikat při výrobě nebo při expozici v atmosférických podmínkách. Podobně jako v předchozím případě i zde je podmínkou selhání kombinace mechanického zatížení a specifických expozičních podmínek.
Další oblastí aplikace je studium struktury kompozitních tepelně odolných materiálů používaných v leteckém průmyslu, především jejich chování při mechanické zátěži.
Využití tomografie je mnohem širší, než jak bylo popsáno v příkladech výše. Používá se pro kontrolu tvarové přesnosti výrobků, pro vyloučení přítomnosti vnitřních vad např. při využití aditivních výrobních technologií (3D tisk). Zde se výpočetní tomografie používá pro kontrolu rozměrů i vnitřní struktury a chování při expozici.
