Resumen: Este artículo analiza la fragilidad por hidrógeno del acero al carbono. Esto incluye una discusión del mecanismo por el cual un acero se convierte en fragilidad por hidrógeno, las circunstancias que conducen a la fragilidad, los efectos de la fragilidad en el comportamiento del acero, cómo prevenir la fragilidad, y las pruebas para evaluar si un acero ha sido fragilizado.
La fragilidad por hidrógeno es la pérdida de ductilidad de un metal y la reducción de la capacidad de carga debido a la absorción de átomos o moléculas de hidrógeno por el metal. El resultado de la fragilidad por hidrógeno es que los componentes se agrietan y fracturan a tensiones inferiores al límite elástico del metal.
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Proceso de fragilidad
A temperatura ambiente, los átomos de hidrógeno pueden ser absorbidos por las aleaciones de acero al carbono. El hidrógeno absorbido puede estar presente en forma atómica o molecular. Si se da el tiempo suficiente, el hidrógeno se difunde hasta los límites de los granos del metal y forma burbujas en dichos límites. Estas burbujas ejercen presión sobre los granos metálicos. La presión puede aumentar hasta niveles en los que el metal tiene una ductilidad y resistencia reducidas.
Situaciones que conducen a la absorción de hidrógeno
El hidrógeno puede entrar y difundirse a través del acero incluso a temperatura ambiente. Esto puede ocurrir durante varias operaciones de fabricación y ensamblaje o uso operativo – en cualquier lugar en el que el metal entre en contacto con hidrógeno atómico o molecular
Los procesos en los que existe la posibilidad de absorción de hidrógeno incluyen el decapado ácido y la galvanoplastia. El hidrógeno está presente en los baños de decapado ácido. Durante la galvanoplastia, se produce hidrógeno en la superficie del metal que se recubre. El decapado ácido se utiliza para eliminar las incrustaciones de óxido de la superficie del acero y la galvanoplastia se utiliza habitualmente para depositar zinc en tuercas, pernos, tornillos y otros elementos de fijación de acero para protegerlos contra la corrosión galvánica. Otros recubrimientos galvánicos se utilizan para diferentes aplicaciones.
La absorción de hidrógeno también puede ocurrir cuando un componente está en servicio si el acero está expuesto a ácidos o si se produce la corrosión del acero.
Fractura Intergranular
Un ejemplo de fallo debido a la fragilidad por hidrógeno se muestra en las figuras siguientes. La imagen de la izquierda muestra una vista macroscópica de un tornillo de acero galvanizado fracturado. La imagen de la derecha muestra una imagen de la superficie de la fractura obtenida con un microscopio electrónico de barrido. En esta imagen se pueden ver los granos individuales en la superficie de fractura del metal, lo que es indicativo de una fractura intergranular. El perno se fragilizó durante el proceso de galvanizado.
La fractura intergranular se produce cuando las grietas se forman y crecen a lo largo de los límites de grano debilitados en un metal. En el caso de la fragilidad por hidrógeno, las burbujas de hidrógeno en los límites de grano debilitan el metal.
Requisitos para el fallo debido a la fragilidad por hidrógeno
Hay tres requisitos para el fallo debido a la fragilidad por hidrógeno:
- Un material susceptible.
- La exposición a un entorno que contenga hidrógeno.
- La presencia de tensión de tracción en el componente.
Los aceros de alta resistencia a la tracción superiores a unos 145 ksi (1000 MPa) son las aleaciones más vulnerables a la fragilidad por hidrógeno.
Como se ha mencionado anteriormente, la exposición al hidrógeno se produce durante los pasos del proceso de acabado de la superficie, como el decapado con ácido y la galvanoplastia, y durante el servicio si el acero se expone a los ácidos o si se produce la corrosión.
En cuanto a la tensión para provocar la fractura, incluso la tensión residual de tracción dentro de un componente puede ser suficiente para provocar el fallo de un material fragilizado.
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Prevención de la fragilidad por hidrógeno
Las medidas que se pueden tomar para evitar la fragilidad por hidrógeno incluyen la reducción de la exposición al hidrógeno y el horneado después de la galvanoplastia u otros procesos que conducen a la absorción de hidrógeno. La fragilidad por hidrógeno de los componentes galvánicos puede evitarse horneándolos a 190-220°C (375-430°F) unas horas después del proceso de galvanoplastia. Durante el horneado, el hidrógeno se difunde fuera del metal.
Para aplicaciones en las que habrá absorción de hidrógeno mientras un componente está en servicio, el uso de aceros de menor resistencia y la reducción de la tensión residual y aplicada son formas de evitar la fractura debida a la fragilidad por hidrógeno.
Evaluación de la fragilidad por hidrógeno
Por último, hay pruebas que pueden realizarse para evaluar si el procesamiento conduce a la fragilidad por hidrógeno del acero. Aquí hay dos de estas pruebas:
- Método de prueba estándar F1940 para la verificación del control del proceso para prevenir la fragilidad por hidrógeno en elementos de fijación chapados o revestidos
- Método de prueba estándar F519 para la evaluación de la fragilidad mecánica por hidrógeno de los procesos de chapado y los entornos de servicio