Abstract: Questo articolo discute l’infragilimento da idrogeno dell’acciaio al carbonio. Questo include una discussione del meccanismo con cui un acciaio diventa infragilito dall’idrogeno, le circostanze che portano all’infragilimento, gli effetti dell’infragilimento sul comportamento dell’acciaio, come prevenire l’infragilimento e i test per valutare se un acciaio è stato infragilito.

L’infragilimento da idrogeno è la perdita di duttilità di un metallo e la riduzione della capacità di sopportare carichi dovuta all’assorbimento di atomi o molecole di idrogeno da parte del metallo. Il risultato dell’infragilimento da idrogeno è che i componenti si incrinano e si fratturano a sollecitazioni inferiori al carico di snervamento del metallo.

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Processo di infragilimento
A temperatura ambiente, gli atomi di idrogeno possono essere assorbiti dalle leghe di acciaio al carbonio. L’idrogeno assorbito può essere presente sia in forma atomica che molecolare. Con un tempo sufficiente, l’idrogeno si diffonde ai bordi dei grani del metallo e forma delle bolle ai bordi dei grani del metallo. Queste bolle esercitano una pressione sui grani del metallo. La pressione può aumentare fino a livelli in cui il metallo ha una ridotta duttilità e resistenza.

Situazioni che portano all’assorbimento di idrogeno

L’idrogeno può entrare e diffondersi attraverso l’acciaio anche a temperatura ambiente. Questo può accadere durante varie operazioni di produzione e assemblaggio o uso operativo – ovunque il metallo entri in contatto con l’idrogeno atomico o molecolare

I processi per i quali c’è una possibilità di assorbimento di idrogeno includono il decapaggio acido e la galvanoplastica. L’idrogeno è presente nei bagni di decapaggio acido. Durante la galvanoplastica, l’idrogeno è prodotto sulla superficie del metallo rivestito. Il decapaggio acido è usato per rimuovere le incrostazioni di ossido dalla superficie dell’acciaio e la galvanoplastica è comunemente usata per depositare lo zinco su dadi, bulloni, viti e altri elementi di fissaggio in acciaio per la protezione galvanica contro la corrosione dell’acciaio. Altri rivestimenti galvanici sono usati per diverse applicazioni.

L’assorbimento dell’idrogeno può avvenire anche quando un componente è in servizio se l’acciaio è esposto ad acidi o se si verifica la corrosione dell’acciaio.

Frattura intergranulare

Un esempio di fallimento dovuto all’infragilimento da idrogeno è mostrato nelle figure seguenti. L’immagine di sinistra mostra una vista macroscopica di un bullone d’acciaio zincato fratturato. L’immagine di destra mostra un’immagine al microscopio elettronico a scansione della superficie della frattura. In questa immagine si possono vedere i singoli grani sulla superficie di frattura del metallo, il che è indicativo della frattura intergranulare. Il bullone si è infranto durante il processo di elettrodeposizione dello zinco.

La frattura intergranulare si verifica quando le cricche si formano e crescono lungo i confini di grano indeboliti in un metallo. Nel caso dell’infragilimento da idrogeno, le bolle di idrogeno ai confini dei grani indeboliscono il metallo.

Requisiti per il fallimento dovuto all’infragilimento da idrogeno

Ci sono tre requisiti per il fallimento dovuto all’infragilimento da idrogeno:

• Un materiale suscettibile.
• Esposizione ad un ambiente che contiene idrogeno.
• La presenza di stress da trazione sul componente.

Gli acciai ad alta resistenza con resistenza alla trazione superiore a circa 145 ksi (1000 MPa) sono le leghe più vulnerabili all’infragilimento da idrogeno.

Come menzionato in precedenza, l’esposizione all’idrogeno si verifica durante le fasi del processo di finitura superficiale come il decapaggio acido e la galvanoplastica e durante il servizio se l’acciaio è esposto agli acidi o se si verifica la corrosione.

Per quanto riguarda lo stress per causare la frattura, anche lo stress residuo di trazione all’interno di un componente può essere sufficiente a causare la rottura di un materiale infragilito.

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Prevenire l’infragilimento da idrogeno

Le misure che possono essere prese per evitare l’infragilimento da idrogeno includono la riduzione dell’esposizione all’idrogeno e la cottura dopo la galvanoplastica o altri processi che portano all’assorbimento di idrogeno. L’infragilimento da idrogeno dei componenti galvanici può essere prevenuto cuocendoli a 375 – 430 °F (190 – 220°C) entro poche ore dal processo di galvanizzazione. Durante la cottura, l’idrogeno si diffonde fuori dal metallo.

Per le applicazioni in cui ci sarà assorbimento di idrogeno mentre un componente è in servizio, l’uso di acciai a bassa resistenza e la riduzione dello stress residuo e applicato sono modi per evitare la frattura dovuta all’infragilimento da idrogeno.

Valutazione dell’infragilimento da idrogeno

Infine, ci sono test che possono essere eseguiti per valutare se la lavorazione porta all’infragilimento da idrogeno dell’acciaio. Ecco due di questi test:

• ASTM F1940 Metodo di prova standard per la verifica del controllo del processo per prevenire l’infragilimento da idrogeno nei dispositivi di fissaggio placcati o rivestiti
• ASTM F519 Metodo di prova standard per la valutazione meccanica dell’infragilimento da idrogeno dei processi di placcatura e degli ambienti di servizio