Failure analysis of gear wheels due to hydrogen embrittlement

Hydrogen embrittlement is a common phenomenon that affects metal structures and mechanical components, leading to catastrophic and unpredictable failures that must be avoided in engineering fields. Due to the complexity of the hydrogen interaction with metals, the process is not completely understood and since half of the 20th century researchers have put a lot of effort into understanding the causes and the modalities by which hydrogen embrittlement operates. In the first part of this thesis the effects of hydrogen embrittlement are briefly described with all the ways in which hydrogen can interact with the metal surface and metal matrix. The attention is put on the steel behaviour, based on the case study explained in the final chapters. Some physical concepts are highlighted by putting in evidence formulas that rule the hydrogen kinetics into the crystal lattice and the interaction with the internal defects, playing an important role in the embrittlement mechanism. Last, the effect of some parameters such as microstructure is described. In the final part a failure of real components is studied. In particular, a collapse of gear wheels; the first after being shrink fitted, the second after heat treatment. The gear wheels were made in 18NiCrMo 7-6 and were subjected to a first chain of hot working and heat treatments by Company1, and a second series of heat treatments performed by Company2 . Analysis and tests show that the damage, crack propagation and consequently failure can be related to a case of hydrogen embrittlement. All the discussion is supported by part of the technical report and official photos taken during the failure analysis performed in Politecnico di Milano and by CETIM. Important is to underlie that, this case of failure analysis was fundamental to establish the penal responsibility due to the fact that the wheels were produced by two different companies.

L’infragilimento da idrogeno è un fenomeno comune che colpisce i componenti e le strutture metalliche, causando collassi catastrofici e imprevedibili, che rappresentano un grave problema in qualsiasi ambito ingegneristico. Il processo di infragilimento non è ancora stato del tutto compreso, a causa della complessa interazione che l’idrogeno ha con i reticoli metallici e, dalla metà del ventesimo secolo, ricercatori di tutto il mondo hanno concentrato la loro attenzione nel capire le cause e le modalità con cui i danni da infragilimento da idrogeno vengono alla luce. Nella prima parte di questo elaborato gli effetti dell’infragilimento sono brevemente descritti con tutti i possibili modi con cui l’idrogeno può entrare e interagire con la matrice metallica. L’attenzione è posta in particolare sul comportamento dell’acciaio, in base al caso studio analizzato a seguire. Alcuni concetti fisici sono riportati mettendo in evidenza alcune formule che regolano l’interazione dell’idrogeno con il reticolo cristallino e i suoi difetti, parti fondamentali dei processi di infragilimento da idrogeno. Da ultimo, è analizzata l’influenza di alcuni parametri come microstruttura e elementi di lega sul processo. Nella parte finale un caso di collasso di due componenti reali è studiato. In particolare, un fallimento di due ruote dentate, la prima dopo essere stata calettata con forzamento, la seconda dopo trattamento termico. Le ruote erano realizzate in un acciaio 18NiCrMo 7-6 e soggette a un primo ciclo realizzativo di lavorazioni a caldo e trattamenti termici da parte di Company1 e una seconda serie di trattamenti termici e a finale messa in servizio da parte di Company2 . Prove e analisi dimostrano che il danno, la propagazione della cricca e il conseguente fallimento possono essere ricondotti a un caso di infragilimento da idrogeno. Tutta la discussione è supportata dal report tecnico e da foto ufficiali scattate durante la failure analysis effettuata by CETIM e il Politecnico di Milano. Importante sottolineare come la failure analysis è stata fondamentale per stabilire la responsabilità penale dovuta al fatto che nella produzione dei componenti due diverse aziende sono coinvolte.