Hydrogens effect on materials used in Internal Combustion Engine (ICE) components

Abstract

Hydrogen has a negative effect on most metallic materials. The main mechanism for the negative effects is hydrogen embrittlement (HE). Hydrogen diffuses to the material’s different microstructural features and defects, affecting the materials’ mechanical properties by lowering the material’s strength and toughness. Knowledge of material properties are crucial information in design and analysis for Internal Combustion Engines (ICEs) components. This thesis will test two ICE component materials to see how the hydrogen affects their mechanical properties. These materials are X40CrSiMo 10-2 and 42CrMo4. The focus will be on the difference of tensile strength and strain of the material with and without hydrogen. The fracture surfaces were analysed to see how the hydrogen affected the fracture type. These both will be used to determine how much hydrogen has affected the materials. The hydrogen experiments were conducted by the University of Oulu. These included machining of samples, hydrogen doping, and tensile testing. The reduction in mechanical properties was mostly on the strain and toughness of the materials. The reduction in strain for X40CrSiMo 10-2 was 60,2% and for 42CrMo4 52,1%. The toughness reduction was 67,7% and 54,9% respectively. Ultimate strength reduction was 6,7% and 3,3%. The fracture point’s strength of X40CrSiMo 10-2 was reduced by 6,7% and for 42CrMo4 it increased by 10,3%. Overall, the thesis concludes that both materials had a high reduction in strain and toughness due to hydrogen. Also, the strength of the materials was mostly reduced with one exception. These could be due to there only being one test per condition.

Vedyllä on negatiivinen vaikutus useimpiin metalleihin. Vetyhauras on suurin tekijä näihin negatiivisiin vaikutuksiin. Vety diffundoituu materiaalin mikrorakenteessa löytyviin eroihin ja virheisiin. Tämä vaikuttaa materiaalin mekaanisiin ominaisuuksiin alentamalla materiaalin lujuutta ja sitkeyttä. Tieto materiaalin ominaisuuksista on tärkeää polttomoottorien komponenttien suunnitellussa ja analyysissä. Tässä diplomityössä testataa kuinka vety vaikuttaa kahden eri polttomoottori kompenentin materiaaleihin. Nämä materiaalit ovat X40CrSiMo 10-2 ja 42CrMo4. Painopisteenä oli vetolujuuden ja venymän muutos kun materiaali on altistettu vedylle. Myös murtopinnat tutkittiin, jotta nähtäisiin miten vety vaikutti materiaalin murtotyyppiin. Näitä tietoja käytetään määrittämään kuinka paljon vety vaikutti kyseisiin materiaaleihin. Vety testaukset toteutettiin Oulun yliopistossa. Vety testauksiin kuului näytteiden koneistaminen, vety lataukset, ja vetokokeet. Mekaanisten ominaisuuksien lasku oli suurinta venymässä ja sitkeydessä. Venymän arvo laski materiaalilla X40CrSiMo 10-2 60,2% ja materiaalilla 42CrMo4 52,1%. Samojen materiaalien sitkeys laski 67,7% ja 54,9%. Murtolujuudet laskivat 6,7% ja 3,3%. Murtuma kohdan lujuus laski X40CrSiMo 10-2 materiaalilla 6,7% kun taas materiaalilla 42CrMo4 se nousi 10,3%. Opinnäytetyön lopputulemana molempien materiaalien venymä ja sitkeys laski huomattavasti vedystä johtuen. Myös materiaalien lujuudet laskivat hieman ja yhdessä tapauksessa se nousi. Tämä voi johtua siitä, että testejä tehtiin vain yksi per olosuhde.