Hidrojenin refrakter metallerin mekanik özellikleri üzerine etkileri

Abstract

Günümüzde modern mühendislik uygulamaları, uzun hizmet ömrü boyunca üstün mekanik, termal ve elektriksel özelliklerini koruyabilen malzemelere olan ihtiyacı giderek artırmaktadır. Bu bağlamda, tantalyum (Ta), vanadyum (V) ve niobyum (Nb) gibi refrakter metaller; yüksek sıcaklık dayanımı, aşınma direnci ve üstün mekanik özellikleri sayesinde nükleer enerji sistemleri, havacılık, petrokimya ve diğer ileri mühendislik alanlarında kritik öneme sahiptir. Ancak bu metallerin hidrojenle etkileşime girmesi sonucunda ortaya çıkan hidrojen kırılganlığı (Hydrogen Embrittlement - HE) olgusu, uzun vadeli performanslarını olumsuz yönde etkileyebilmektedir. Bu tez çalışmasında saf Ta, V ve Nb metallerinin hidrojenle etkileşimleri sonucu oluşan mekanik bozunmalar deneysel yöntemlerle sistematik olarak incelenmiştir. Numuneler hidrojen yüklenmiş ve yüklenmemiş durumda karşılaştırılmış, elde edilen gerilme-gerinim eğrileri ve mikroyapısal karakterizasyon sonuçları detaylı olarak değerlendirilmiştir. Bulgulara göre, Nb'de hidrojen yüklenmesi maksimum dayanımı yaklaşık 200 MPa'dan 230 MPa'a yükseltmiş, ancak süneklik %28'den %25'e düşmüştür. Ta'da hidrojen yüklenmemiş numuneler yaklaşık 470 MPa seviyesinde dayanım ve %7–8 uzama gösterirken, hidrojen yüklenmiş numunelerde dayanım 300 MPa'a gerilemiş, buna karşın uzama %15–16 seviyelerine yükselmiştir. V için ise hidrojen yüklenmesi dayanımı 210 MPa'dan 190 MPa'a düşürmüş, fakat sünekliği %15'ten %20 seviyelerine çıkarmıştır. Bu farklı davranışlar, hidrojenin söz konusu metallerle olan çözünürlük, difüzyon ve etkileşim mekanizmalarının değişkenliği ile açıklanabilir. Elde edilen tüm bu sonuçlar, hidrojenin refrakter metaller üzerindeki etkilerinin metal türüne ve kristal yapıya bağlı olarak değiştiğini açıkça göstermektedir. Sonuç olarak, bu çalışma hidrojenin Nb, Ta ve V metallerinin mekanik özellikleri üzerindeki etkilerini hem sayısal hem mikroyapısal olarak detaylı biçimde ortaya koyarak, hidrojen direncinin artırılmasına yönelik malzeme geliştirme çalışmalarına bilimsel veri sağlamaktadır. Ayrıca, gelecekte yapılacak araştırmalarda yüksek sıcaklık koşullarında hidrojen etkilerinin, farklı gerinim oranlarının ve alaşımlama stratejilerinin incelenmesi önerilmektedir. Bu bağlamda çalışma, hidrojen ekonomisi ve nükleer enerji gibi stratejik alanlarda kullanılabilecek daha güvenilir ve dayanıklı malzemelerin tasarımına katkı sunmaktadır.

In modern engineering applications, there is an increasing demand for materials that can retain their superior mechanical, thermal, and electrical properties over long service lifetimes. In this context, refractory metals such as tantalum (Ta), vanadium (V), and niobium (Nb) have attracted considerable attention due to their high-temperature strength, wear resistance, and excellent mechanical properties, making them essential for nuclear energy systems, aerospace, petrochemical industries, and other advanced technologies. However, the phenomenon of hydrogen embrittlement (HE), which occurs as a result of the interaction of these metals with hydrogen, can significantly degrade their long-term performance. In this thesis, the mechanical degradation mechanisms of pure Ta, V, and Nb metals exposed to hydrogen have been systematically investigated by experimental methods. Tensile tests were performed on hydrogen-charged and uncharged samples, while microstructural characterization was carried out using optical microscopy, scanning electron microscopy (SEM), and electron backscatter diffraction (EBSD). The results reveal that hydrogen affects each refractory metal differently. For Nb, hydrogen charging increased the maximum strength from approximately 200 MPa to 230 MPa, while reducing ductility slightly from ~28% to ~25%. In Ta, the uncharged specimens exhibited a maximum strength of ~470 MPa and an elongation of 7–8%, whereas hydrogen charging reduced the strength to ~300 MPa but increased elongation to 15–16%. For V, hydrogen charging decreased the strength from 210 MPa to 190 MPa, while enhancing ductility from 15% to 20%. These findings indicate that the influence of hydrogen strongly depends on the type of refractory metal, their crystal structure, hydrogen solubility, and diffusion characteristics. In conclusion, this study provides comprehensive insight into the mechanical and microstructural responses of Nb, Ta, and V under hydrogen exposure. The results not only contribute to the understanding of hydrogen–metal interactions at the macroscopic and microscopic levels but also provide valuable knowledge for the development of hydrogen-resistant refractory metals. Future studies should focus on high-temperature testing, strain-rate-dependent behaviors, advanced fracture surface analysis, and computational modeling (e.g., DFT simulations). The outcomes of this work are expected to support the design of more reliable and durable materials for strategic applications such as nuclear energy and the emerging hydrogen economy.