Bruker G4 PHOENIX je specializovaný analyzátor určený pro rychlé a přesné stanovení tzv. difúzního (mobilního) vodíku v kovech a slitinách. Využívá princip ohřevu vzorku v proudu inertního nosného plynu (tzv. metoda „carrier gas hot extraction“), díky čemuž dokáže uvolnit a změřit i nepatrné množství vodíku zachyceného v materiálu. Přístroj tak pomáhá předejít problémům spojeným s vodíkovou křehkostí a praskáním materiálů vlivem vodíku, například u svarů nebo vysocepevnostních ocelí. Výsledky analýzy jsou k dispozici během desítek minut, což umožňuje rychlou kontrolu kvality či optimalizaci procesů oproti zdlouhavým tradičním metodám trvajícím i několik dnů.
Analyzátor G4 PHOENIX je široce využíván v materiálovém výzkumu a průmyslových aplikacích, kde je potřeba detailně zkoumat obsah a chování vodíku. Například studie zabývající se vlivem povrchových úprav na omezování účinků vodíku ukazuje měření koncentrace vodíku metodou TDS na přístroji G4 PHOENIX při teplotách až 1073 K. V jiném výzkumu zaměřeném na vodíkovou křehkost potrubní oceli X65 byla k analýze difúzního vodíku použita aparatura G4 PHOENIX vybavená hmotnostním spektrometrem, což umožnilo detailní sledování vodíku v materiálu.
Takovéto práce potvrzují, že G4 PHOENIX poskytuje vědcům i technikům výkonný nástroj pro studium vodíku – od rychlého vyhodnocení difúzního vodíku ve svarových spojích až po dlouhodobé experimenty sledující postupné uvolňování vodíku z různých typů vazebných míst v materiálu (dislokace, hranice zrn, precipitátů, inkluzí, vakancí nebo mezery v mřížce, ...). Díky své přesnosti a rychlosti nachází uplatnění v automobilovém a leteckém průmyslu, metalurgii, výzkumu nových slitin i dalších oborech, kde pomáhá řešit problémy spojené s vodíkem v materiálech.
Vodíkové křehnutí, označované také jako vodíkem indukované praskání (HIC - hydrogen-induced cracking), může vést k porušení materiálu, zejména u vysokopevnostních ocelí. Difúzní vodík je primárním faktorem zodpovědným za ztrátu pevnosti v tahu v důsledku HIC. Přesné stanovení množství difúzního vodíku je proto nezbytné pro efektivní kontrolu procesu a kvality.
Poškození způsobené vodíkem je rozšířený a obávaný jev. Během svařování vzniká vodík disociací vodní páry (např. vlhkosti) nebo uhlovodíků ve svařovacím oblouku a roztavený kov může rychle přijmout vodík. Jakmile se atomy vodíku dostanou do kovu, mohou rychle difundovat dovnitř jeho mikrostruktury. Difuzní vodík způsobuje vodíkem indukované praskání (známé také jako praskání za studena nebo opožděné praskání), kdy součásti selhávají mechanickým namáháním – náhle a bez předchozího náznaku. Proto je posouzení difuzního vodíku zásadní kvůli křehnutí, praskání vyvolanému vodíkem nebo asistovanému praskání (HIC/HAC) nebo lomu zpožděnému vodíkem, mimo jiné škodlivé účinky.
Vodík je nejběžnějším prvkem v přírodě, nejlehčím prvkem v periodické tabulce a má nejmenší atomový průměr. Díky své malé velikosti vodík bez námahy difunduje skrz jakoukoli kovovou mřížku. Problémem difúzního vodíku je, že se shromažďuje v defektech kovové mřížky a na tomto místě rekombinuje za vzniku mnohem větších molekul vodíku. To má za následek zvýšení vnitřního tlaku v materiálu, což nakonec vede ke slabým místům, trhlinám a selhání materiálu.
Vysokopevnostní oceli a okysličené druhy mědi jsou obzvláště náchylné k vodíkovému křehnutí. Existuje riziko zavlečení vodíku v každém mechanickém, tepelném a galvanickém výrobním kroku, zejména při svařování a pájení.
Křivky desorpce vodíku získanou metodou termické desorpční spektroskopie (TDS): křivka typicky zobrazuje desorpční rychlost vodíku v závislosti na teplotě a obsahuje několik píků, které odpovídají různým typům vazebných míst (tzv. pastí) v materiálu v závislosti na teplotě (rampování). Například:
Tepelná desorpční spektroskopie (TDS) je experimentální metoda, která slouží k analýze plynů (např. vodíku) uvolňovaných z materiálu při řízeném ohřevu. V praxi to funguje tak, že se vzorek postupně zahřívá a současně se měří množství plynu zájmového prvku, který se z něj uvolňuje (desorbuje) v závislosti na teplotě. Výsledkem je křivka nebo spektrum desorpce, ze kterého lze určit, při jakých teplotách a v jakém množství se plyn uvolňuje.
TDS je zásadní metodou pro studium vodíku v kovových materiálech, protože jednotlivé typy vazebných míst v materiálu (tzv. vodíkových pastí) uvolňují vodík při různých teplotách. Analýzou desorpčních křivek lze určit, jak pevně byl vodík vázán (například volně difúzní versus silně vázaný) a jaký typ defektů či mikrostruktur (např. dislokace, precipitáty, hranice zrn) se na jeho zachycování podílel. Tato metoda tedy poskytuje cenné informace pro pochopení mechanismů vodíkové křehkosti a pro optimalizaci materiálů z hlediska odolnosti vůči vodíku.
Analyzátor G4 PHOENIX byl vyvinut právě pro využití metody TDS v rutinní praxi. Jeho konstrukce zahrnuje vyhřívanou komoru s inertním nosným plynem, kde může být vzorek ohříván přesně definovaným teplotním programem. Standardně je přístroj vybaven citlivým TCD detektorem k měření uvolněného vodíku, přičemž díky duálním pecím (volitelné) zvládne jak rychlé nahřívání, tak i velmi pomalé teplotní rampy a udržování vysokých teplot pro úplnou desorpci vodíku. Maximální teplota 900 °C (s IR pecí) nebo až 1100 °C (s doplňkovou odporovou pecí) zajišťuje dostatečný rozsah pro uvolnění i pevně vázaného (reziduálního) vodíku.
Volitelný hmotnostní spektrometr (MS) rozšiřuje schopnosti G4 PHOENIX o detekci extrémně nízkých koncentrací a identifikaci uvolněných plynů. Verze G4 PHOENIX MS obsahuje kvadrupólový MS detektor, který zlepšuje detekční limit vodíku o více než řád a umožňuje měřit koncentrace v nižších ng/g. Díky hmotnostnímu spektru lze také rozeznat různé složky uvolněného plynu a určit původ vodíku v materiálu (např. rozlišit vodík, vodík z vlhkosti, apod.). Tato kombinace termální desorpce s hmotnostní spektrometrií (tzv. TDMS - Thermal Desorption Mass Spectroscopy) je mocným nástrojem pro pokročilé materiálové výzkumy vodíku.
Přístroj je navržen tak, aby splňoval požadavky relevantních norem pro stanovení difúzního vodíku, například DIN EN ISO 3690 / ČSN EN ISO 3690 (051105) (měření vodíku ve svarovém kovu - Norma popisuje přípravu vzorků a analytický postup pro stanovení obsahu difundovaného vodíku v martensitickém, bainitickém a feritickém svarovém kovu, který vzniká při svařování ocelí s přídavným materiálem při obloukovém svařování). Uživatelé z průmyslu i výzkumu tak mají jistotu, že získané výsledky jsou srovnatelné a dobře použitelné v praxi.
Reference / literatura:
Vysoce citlivý detektor tepelné vodivosti umožňuje analýzu až do sub-ppm rozsahu. Volitelný hmotnostní spektrometr pak posouvá detekční limity až do nízkých ng/g.
Vhodné i pro velké vzorky jako jsou plechy či svarové kupony dle normy ANSI/AWS A4.3-93.
Automatizovaný systém dávkování kalibračního plynu se 10 různými objemy zajišťuje linearitu a sledovatelnost v celém dynamickém rozsahu.
Umožňuje analýzu až do rozsahu sub-ppm.
Držák, svorka a upínací přípravek pro termočlánkové měřítko pro přímé měření teploty vzorku s integrací do softwaru