Comprender la fragilización por hidrógeno: Causas, efectos y prevención

La fragilización por hidrógeno es el resultado de la absorción de hidrógeno por metales susceptibles, resultando en la pérdida de ductilidad y reducción de la capacidad de carga. Tensiones por debajo del límite elástico del material fragilizado pueden resultar en agrietamiento y fallo frágil catastrófico. La fragilización por hidrógeno también se conoce como agrietamiento inducido por hidrógeno o ataque por hidrógeno.

A temperatura ambiente, los átomos de hidrógeno pueden ser absorbidos en la red metálica y difundirse a través de los granos. El hidrógeno absorbido puede estar presente ya sea en forma atómica o molecular combinada. Independientemente de la forma, los átomos o moléculas se combinan para formar pequeñas burbujas en los bordes de grano del metal. Estas burbujas actúan como concentradores de presión, acumulando presión entre los granos del metal. La presión puede aumentar a niveles donde el metal tiene ductilidad reducida, causando la formación de grietas minúsculas dentro del material. El agrietamiento es intergranular. Es decir, la grieta crece a lo largo de los bordes de grano del metal. (Para más información sobre el tema, véase Ampollamiento por hidrógeno y fragilización por hidrógeno: Causas y medidas preventivas.)

Un ejemplo de fallo debido a fragilización por hidrógeno se muestra en la figura siguiente. La imagen izquierda muestra una vista macroscópica de un perno de acero cromado fracturado. La imagen derecha muestra una imagen de microscopio electrónico de barrido de la superficie de fractura. La apariencia facetada de la superficie de fractura es indicativa de fractura intergranular. El perno se fragilizó durante el proceso de cromado electrolítico.

Perno fracturado e imagen de microscopio electrónico de barrido de la superficie de fractura.

Hay tres factores requeridos para el fallo debido a fragilización por hidrógeno:

1. Un material susceptible
2. Exposición a un entorno que contiene hidrógeno
3. La presencia de tensión de tracción debido a tensiones residuales y/o aplicadas

Los aceros al carbono de alta resistencia y aceros de baja aleación son las aleaciones más vulnerables a la fragilización por hidrógeno. Los aceros con una resistencia a la tracción última de menos de 1000 MPa o dureza de menos de 30 HRC no se consideran generalmente susceptibles a la fragilización por hidrógeno. (Otro ejemplo se puede encontrar en el artículo Problemas de fragilización por hidrógeno con zinc: Nueva guía discutida.)

El hidrógeno entra y difunde a través de una superficie metálica a temperaturas ambiente o elevadas. Esto puede ocurrir durante varias operaciones de fabricación y ensamblaje u uso operativo, en cualquier lugar donde el metal entre en contacto con hidrógeno atómico o molecular.

Procesos que pueden llevar a fragilización por hidrógeno incluyen fosfatado, decapado ácido, electrochapado y soldadura por arco. Durante estos procesos, hay posibilidad de absorción de hidrógeno por el material. Por ejemplo, durante la soldadura por arco, el hidrógeno se libera de la humedad (por ejemplo, en el recubrimiento de los electrodos de soldadura; para minimizar esto, se usan electrodos de bajo hidrógeno especiales para soldar aceros de alta resistencia).

Durante el uso, el hidrógeno puede introducirse en el metal como resultado de corrosión, reacciones químicas del metal con ácidos, u otros químicos, notablemente sulfuro de hidrógeno en agrietamiento por corrosión bajo tensión por sulfuros.

En cuanto al estrés para causar fractura, incluso el estrés residual dentro de un componente puede ser suficiente.

Pasos que pueden tomarse para evitar la fragilización por hidrógeno incluyen reducir la exposición al hidrógeno, así como horneado después del chapado y otros procesos que llevan a absorción de hidrógeno. El horneado permite que el hidrógeno difunda fuera del metal. Si el horneado no es una opción, entonces el uso de aceros de menor resistencia y la reducción de tensiones residuales y aplicadas son formas posibles de evitar fractura por fragilización por hidrógeno. Estas pueden ser las mejores opciones para circunstancias que resultan en absorción de hidrógeno mientras un componente está en servicio.

El artículo e imágenes aparecieron anteriormente en https://www.imetllc.com/hydrogen-embrittlement-steel/. Reimpreso con permiso. Copyright Industrial Metallurgists, LLC.