Oulun yliopiston tutkijat ovat keskittyneet ultralujien teräslaatujen kehittämiseen. Ne keventävät rakenteita, mutta kääntöpuolena on ilmiö nimeltä vetyhauraus.
– Vetyhauraus on hyvin vakava ilmiö, joka voi pahimmillaan johtaa äkkinäisiin, katastrofaalisiin vaurioihin rakenteissa, kertoo Oulun yliopiston terästutkimuskeskuksen tutkija Renata Latypova väitöstilaisuutensa aloittavalla lektioluennolla.
Teräksen lujuuden ratkaisee pitkälti sen mikrorakenne. Lujimpia teräksiä ovat nopeasti jäähdyttämällä syntyvät niin sanotutut martensiittiset teräslaadut. Niiden kiderakenteessa on kuitenkin yllättävä heikkous: vetyatomit pääsevät helposti tunkeutumaan teräkseen synnyttäen siihen säröjä. Väitöskirjan testimenetelmä paljastaa, miten altis teräslaatu on vetyhauraudelle.
– Vetyhauraudessa lopulliseen vaurioon tarvitaan kolme samanaikaisesti vaikuttavaa tekijää: vetojännitystila, vetyä sisältävä ympäristö ja vedylle altis materiaali, Latypova listaa.
Vetyhauraus on tunnettu ilmiönä pitkään.
Ensimmäinen tieteellinen artikkeli vetyhauraudesta julkaistiin vuonna 1875 Nature-lehdessä. William Johnson tutki tuolloin vetyhaurautta upottamalla rautanäytteitä erilaisiin happoihin. Johnson päätteli myös, että mitä suurempi teräksen lujuus on, sitä alttiimpi se on vetyhauraudelle.
Suomessa vetyhauraus pääsi otsikoihin vuonna 2012, kun Jyväskylän Kangasvuoren vesitorni sortui. Syyksi paljastui lujiin jänneteräksiin päässyt ruostumista aiheuttanut sadevesi. Ruostumisesta vapautunut vety taas aiheutti vetymurtumat, ja koko tornin sortumisen.
Halpa ja nopea testi
Latypova kehitti käytännönläheisessä väitöskirjatyössään testimenetelmän, josta on vetytaloushypen myötä tullut todella ajankohtainen.
– Sillä saa näppärästi ja nopeasti testattua lujien terästen vedynkestävyyden.
Kehitystyö lähti liikkeelle vuonna 2017, kun Latypova aloitti kesätyön teräsvalmistaja SSAB:n tuotekehityksessä.
Hänen tehtävänään oli saada Aalto-yliopiston diplomityössä kehitetty äänirautatesti toimimaan SSAB:n tuotekehityslaboratoriossa.
– SSAB halusi nopean ja kustannustehokkaan menetelmän omien materiaaliensa testaamiseen.
Vetyhaurauden ja jännityskorroosion testaaminen perinteisin menetelmin olisi vaatinut monimutkaista laitteistoa, jota tuotekehitysyksikössä ei ollut omasta takaa. Ääniraudan mallisella teräsnäytteellä tehtävä jännitystesti olisi helppo ja halpa tapa testata materiaalien alttiutta vedylle omassa laboratoriossa.
Kesän kuluessa kävi ilmi, että menetelmä vaatii jatkokehitystä.
– Jatkoin sitä diplomityössä, jossa siirsin menetelmän tällä kertaa yliopistolle.
Sen jälkeen diplomi-insinööriksi valmistunut Latypova jatkoi saman aiheen parissa väitöskirjatutkijana.
Neljän vuoden tutkimustyö teki tutkijasta tekniikan tohtorin, mutta testausmenetelmä kehittyy Latypovan käsissä edelleen.
– Menetelmä on jo ihan eri näköinen kuin väitöskirjassa. Siitä on saatu paljon tarkempi ja toimivampi. Selätimme aiemmat haasteet puristimen ja voima-anturin kanssa.
(Juttu jatkuu kuvan jälkeen.)
Vety murtaa näytteen minuuteissa
Latypovan suunnittelemassa koelaitteistossa ääniraudan muotoon leikatun teräsnäytteen jalkoja puristetaan yhteen puristimella, jonka sisällä on voima-anturi. Aänirauta on myös osa virtapiiriä, joka tuottaa elektrolyyttisesti vetyä näytteeseen.
Testikappaleen vetojännitys on suurimmillaan ääniraudan toiseen jalkaan tehdyn pienen loven pohjalla. Siitä pienet vetyatomit pääsevät tunkeutumaan ja loukkuuntumaan rauta-atomien hilarakenteeseen, ja metallin säröily alkaa.
– Jos erikoisluja teräsnäyte jännitetään vaikkapa 50 prosenttiin sen myötölujuudesta, kun näyte on ilmassa, ei tapahdu mitään, Latypova kuvailee.
Mutta jos näytteeseen johdetaan vetyä, muutos on dramaattinen. Vetyhaurastuminen synnyttää näytteeseen lovesta alkavan särön, joka etenee läpi koko ääniraudan jalan hyvin nopeasti.
Äänirautatesti ei suinkaan ole ainoa menetelmä vetyhaurauden testaamiseen. Teräsnäyte voidaan altistaa vetojännitykselle ja vedylle monin eri tavoin. Äänirautageometrian edut ovat kuitenkin ilmeiset. Ultralujista teräksistä on helppo valmistaa viiden millimetrin paksuisia tasalaatuisia äänirautanäytteitä. Vielä parempi uutinen on erittäin yksinkertainen koelaitteisto.
– Näytteiden lisäksi tarvitaan periaatteessa vain elektrolyytti, lasikippo, kansi, virtalähde ja voima-anturilla varustettu puristin.
Laitteiston kallein komponentti on 700 euron hintainen voima-anturi.
Voisiko äänirautatesti olla tulevaisuudessa maailmanlaajuisessa käytössä?
– Toivottavasti, se olisi hienoa. Ainakin se on hyvä alustava testi, ennen kuin siirrytään kalliimpiin menetelmiin.
Korkealujuusterästen vedynkesto kehittyy
Latypovan väitöstyön viimeisessä paperissa hän pääsi käsiksi varsinaiseen tutkimustyöhön, tutkimaan omalla testimenetelmällään eri teräslaatujen mikrorakenteiden vedynkestävyyttä ja murtumismekanismeja. Vaikka ilmiö on tunnettu jo yli 150 vuotta, ei vetyhaurauden mekanismeja vielä täysin ymmärretä.
– Ymmärrys on kasvanut paljon, mutta tutkittavaa riittää.
Voiko lujien terästen vetyhauraus kaataa tulevaisuuden kunnianhimoiset vihreän vetytalouden suunnitelmat?
– Ei se vetytalous siihen kaadu, jos emme pääse käyttämään kaikkein lujimpia teräksiä, Latypova pohtii.
Mutta jonkinlainen jarru se kyllä on. Nyt vetysovelluksissa käytetyt materiaalit ovat varmuuden vuoksi pehmeämpiä teräslaatuja. Latypovan mukaan vedyn tunkeutuminen on hidasta esimerkiksi austeniittisessa ruostumattomassa teräksessä, mutta sen käyttöä rajoittaa korkea hinta ja vaatimaton lujuus.
Fakta on, että vetytalouden visioiden toteutuminen vaatii terästä, ja paljon.
– Mahdollisimman lujia materiaaleja käyttämällä säästämme seinämänpaksuuksissa ja pääsemme keventämään rakenteita.
Oulun yliopiston tutkijoilla riittää työsarkaa ultralujien terästen vedynkestävyyden parantamisessa.
– Se vaatii paljon kehitystyötä ja teräksen mikrorakenteen tutkimusta. Sen takia nämä testimenetelmät ovat tärkeitä.
(Juttu jatkuu kuvan jälkeen.)
Renata Latypovan tie tekniikan tohtoriksi
- 1992. Syntyy Venäjällä Kuolan niemimaalla Apatiitin kaupungissa.
- 2000. Koko Latypovan perhe muuttaa Ouluun isän töiden perässä.
- 2011. Ylioppilaaksi Oulun lyseosta.
- 2012. Pääsee papereilla Oulun yliopistoon sähkötekniikkaa opiskelemaan.
– Pidin lukion jälkeen välivuotta. Siivoushommissa tuli mieleen, että jotakin voisi opiskella. - 2013. Vaihtaa opintosuuntaa konetekniikkaan.
- 2016. Kiinnostuu materiaalitekniikasta, kun metallurgian professori David Porter esittelee tutkimusalaansa kandivaiheen opiskelijoille.
- 2017. Innostuu opinnoista, kahlaa DI-vaiheen kurssit vuodessa ja pääsee SSAB:lle kesätöihin.
- 2018. Valmistuu diplomi-insinööriksi, aloittaa väitöstyön Oulun yliopiston materiaali- ja konetekniikan tutkimusyksikössä.
- 2022. Väitöskirja ”Development and application of a novel tuning-fork test in studying hydrogen-induced fracture in as-quenched martensitic steels” hyväksytään Oulun yliopiston teknillisessä tiedekunnassa.
Mitä haluaisit saada aikaan tekniikan tohtorina?
– Olisi hienoa nähdä toimiva vety-yhteiskunta ja olla mukana sen rakentamisessa, vaikka näiden materiaalivalintojen kautta.
Suosikkileikkikalu
Neurosonic-divaani. – Se on matalataajuisella värähtelyllä toimiva divaani, joka auttaa hermostoa rentoutumaan ja parantaa unen laatua.
Lempiharrastus
Painonnosto, sienestys ja marjastus. – Painonnosto on suosikki, mutta tällä hetkellä vammojen takia tauolla.
Lujien terästen eturintamassa
Erikoislujien terästen tutkimuksessa Oulun yliopiston terästutkimuskeskus on tieteen mittareilla kolmen parhaan joukossa maailmassa, kertoo keskuksen post doc -tutkijana jatkava Renata Latypova.
Yksikön kuudella tutkimusryhmällä riittää tutkittavaa. Vaikka kaupallisten terästen lujuus on noussut viime vuosikymmeninä moninkertaiseksi, ovat lujimmatkin niistä vielä kaukana teräksen teoreettisesta maksimilujuudesta. Ultraluja teräs tekee rakenteista kevyempiä, joten esimerkiksi rekkojen, laivojen ja junien liikkuminen vaatii vähemmän polttoainetta.
Latypovan väitöstyö oli tutkimusyksikön ensimmäinen vetyaiheinen väitöskirja, mutta tuskin viimeinen. Tulevaisuudessa yksi tutkimuksen painopisteistä ovat vetyä kestävät teräkset sekä vedyn käytön, jakelun ja varastoimisen sovellukset.
Vety voi myös mullistaa teräksen valmistuksen. Vedyn käyttö teräksen valmistuksessa pelkistimenä ja energian lähteenä leikkaa alan hiilidioksidipäästöjä roimasti. Teräksen valmistus vastaa tätä nykyä noin seitsemää prosentista maailman kasvihuonekaasupäästöistä.
Latypovalle väitös oli vain välietappi, sillä tutkimustyö vetyhaurauden parissa jatkuu. Syksyllä on tarkoitus suunnata tutkijavaihtoon ulkomaille.
Millaiset ovat tulevaisuuden suunnitelmat?
– Haluan tehdä työtä, joka minua innostaa ja kiinnostaa, kuten tämä nykyinen työ. Jotakin mielekästä hommaa, joka ei edes tunnu työltä.