miniaturadeimagen| Pieza de metal con agrietamiento inducido por hidrógeno
La fragilización por hidrógeno (HE por las siglas en inglés de hydrogen embrittlement), también conocida como agrietamiento inducido por hidrógeno, es una reducción en la ductilidad de un metal debido al hidrógeno que ha absorbido. Los átomos de hidrógeno son pequeños y pueden penetrar en los metales sólidos. Una vez absorbido, el hidrógeno reduce la tensión necesaria para que se inicien y propaguen las grietas en el metal, lo que provoca su fragilización. La fragilización por hidrógeno se produce en los aceros comunes, así como en el hierro, el níquel, el titanio, el cobalto y sus aleaciones. El cobre, el aluminio y los aceros inoxidables son generalmente menos susceptibles. La fragilización por hidrógeno es uno de los varios efectos que el hidrógeno causa a los metales, conocidos genéricamente con el término "daño por hidrógeno" (hydrogen damage) o "degradación por hidrógeno".
Los hechos esenciales sobre la naturaleza de la fragilización por hidrógeno se conocen desde el siglo XIX. La fragilización por hidrógeno se maximiza a temperatura ambiente en los aceros, y la mayoría de los metales son relativamente inmunes a la fragilización por hidrógeno a temperaturas superiores a 150°C. La fragilización por hidrógeno requiere la presencia tanto de hidrógeno atómico "difundible" como de una tensión mecánica para inducir el crecimiento de grietas, aunque dicha tensión puede ser aplicada o residual. La fragilización por hidrógeno aumenta a velocidades de deformación más bajas. En general, los aceros de mayor resistencia son más susceptibles a la fragilización por hidrógeno que los aceros de resistencia media.
Los metales pueden estar expuestos al hidrógeno procedente de 2 tipos de fuentes: dihidrógeno gaseoso (2 átomos unidos) e hidrógeno atómico (un solo átomo) generado químicamente en la superficie del metal. El hidrógeno atómico se disuelve rápidamente en el metal a temperatura ambiente y provoca fragilización. El dihidrógeno gaseoso se encuentra en recipientes a presión y tuberías. Las fuentes electroquímicas de hidrógeno incluyen ácidos (como los que se utilizan en el decapado, el fresado químico o la limpieza), la corrosión (normalmente la acuosa), la protección catódica y el galvanizado.
El hidrógeno también puede introducirse durante la fabricación del componente metálico debido a la presencia de humedad durante la soldadura o mientras el metal está fundido. Las causas más comunes de fallos en la práctica son un proceso de galvanoplastia mal controlado o varillas de soldadura húmedas.
El término "fragilización por hidrógeno" puede utilizarse tanto para referirse específicamente a la fragilización en aceros y metales similares expuestos a concentraciones de hidrógeno relativamente bajas, como de forma más amplia para abarcar todos los efectos de fragilización que el hidrógeno tiene sobre los metales. Estos efectos más amplios incluyen la formación de hidruros, que ocurre en el titanio y el vanadio (pero no en los aceros), y la formación de ampollas (ampollamiento) inducidas por hidrógeno, que generalmente ocurre a altas concentraciones de hidrógeno y no requiere la presencia de tensión. Sin embargo, la fragilización por hidrógeno generalmente se distingue del ataque por hidrógeno a alta temperatura (HTHA por sus siglas en inglés), que ocurre en aceros a temperaturas superiores a 204°C e implica la formación de bolsas de metano. Los mecanismos por los cuales el hidrógeno causa fragilización en los aceros no se comprenden completamente y continúan siendo objeto de investigación activa.
La degradación relacionada con el hidrógeno también es una preocupación importante en los grandes sistemas energéticos, particularmente en los turbogeneradores refrigerados por hidrógeno, donde la exposición prolongada a atmósferas de hidrógeno puede influir en la integridad estructural de los aceros del rotor y los componentes asociados.
miniaturadeimagen| Grieta debida al hidrógeno en un acero endurecido observada mediante un microscopio electrónico de barrido.
Mecanismos La fragilización por hidrógeno es un proceso complejo que involucra distintos micromecanismos, no todos los cuales tienen que estar presentes para que se produzca. Actualmente se acepta que la fragilización por hidrógeno depende del material y del entorno, sin que exista un único mecanismo exclusivamente aplicable. Estos micromecanismos incluyen la formación de hidruros frágiles, la creación de huecos que pueden generar burbujas de alta presión, una mayor delaminación en las superficies internas, y plasticidad localizada en las puntas de las grietas que facilita la propagación de las mismas. Se han propuesto e investigado diversos procesos como causas de la fragilidad una vez que el hidrógeno difundible ha penetrado en el metal.
Presión interna: a altas concentraciones de hidrógeno, las especies de hidrógeno absorbidas se recombinan en los huecos para formar moléculas de hidrógeno (H2), creando presión desde el interior del metal. Esta presión puede aumentar hasta niveles en los que se forman grietas, comúnmente denominadas "agrietamiento inducido por hidrógeno" (HIC por sus siglas en inglés), así como ampollas en la superficie del metal, denominadas "ampollamiento inducido por hidrógeno". Estos efectos pueden reducir la ductilidad y la resistencia a la tracción. Plasticidad localizada favorecida por hidrógeno (HELP por sus siglas en inglés): el hidrógeno aumenta la nucleación y el movimiento de dislocaciones en la punta de una grieta ya existente. El proceso HELP da como resultado la propagación de grietas por fractura localizada en la punta de la grieta, con menor deformación en el material circundante, lo que le da una apariencia frágil a la fractura.
Disminución por hidrógeno de la propagación de dislocaciones: cuando la tensión induce una grieta en un metal sin presencia de hidrógeno, desde el punto de la grieta se propagan dislocaciones en la red cristalina del metal que amortiguan el efecto de la grieta, de modo que el metal no se rompe. Las simulaciones de dinámica molecular sugieren una transición de dúctil a frágil causada porque el hidrógeno disuelto suprime esa propagación de dislocaciones. Esto evita el redondeo de la punta de la grieta y promueve una fractura frágil. Decohesión aumentada por hidrógeno (HEDE por sus siglas en inglés): el hidrógeno intersticial reduce la tensión necesaria para que los átomos de metal se separen. La HEDE puede ocurrir cuando la concentración local de hidrógeno es alta, como en las puntas de las grietas, las zonas de la pieza metálica que concentran tensión o en el campo de tensión de las dislocaciones de borde. Formación de hidruros metálicos: la formación de hidruros frágiles permite que las grietas se propaguen en un medio quebradizo. Esto es particularmente importante en las aleaciones de vanadio, mientras que la mayoría de los aceros estructurales no forman hidruros fácilmente. Transformaciones de fase: el hidrógeno puede inducir transformaciones de fase en algunos materiales, y la nueva fase puede ser menos dúctil. En este contexto "fase" designa a cualquier configuración de átomos sustancialmente distinta. Es habitual hablar de las fases sólida, líquida y gaseosa de una sustancia, pero en un trozo de materia sólida, todo a la misma temperatura, puede haber varias fases, con diferentes propiedades mecánicas.
Fragilización por hidrógeno en sistemas tribológicos La tribología estudia las superficies móviles en contacto, con la consiguiente fricción y desgaste. La fragilización por hidrógeno también puede influir en los procesos de degradación de los aceros sometidos a cargas por contacto y fricción. El hidrógeno absorbido puede acumularse en dislocaciones, límites de grano y otros defectos de la red cristalina, lo que facilita la plasticidad localizada y promueve la iniciación de grietas en las capas cercanas a la superficie. En condiciones de contacto deslizante y rodante, los cambios en la microestructura y el estado de tensión inducidos por el hidrógeno pueden reducir la resistencia al desgaste y modificar la morfología de los residuos de desgaste que se forman durante la fricción.
Estudios experimentales sobre aceros al manganeso con alto contenido de nitrógeno han demostrado que la carga de hidrógeno puede afectar el comportamiento tribológico y los mecanismos de fractura tanto en condiciones de contacto por deslizamiento en seco como por rodadura. También se han analizado fenómenos similares de fractura y fragilización inducidos por hidrógeno en aceros dentro del marco de los mecanismos de plasticidad localizada aumentada por hidrógeno.
Efectos del hidrógeno en los aceros La exposición al hidrógeno también puede influir en el comportamiento mecánico y tribológico de los aceros durante los procesos de mecanizado (durante la fabricación de la pieza de metal) y desgaste (ya en servicio). Estudios sobre aceros con alto contenido de níquel han indicado que la absorción de hidrógeno puede modificar las propiedades de la capa superficial, afectar a la deformación plástica durante el corte e influir en la formación de productos de desgaste y daños superficiales en condiciones de fricción lubricada.
Por lo tanto, los enfoques de diagnóstico recientes se han centrado en identificar la degradación inducida por hidrógeno en los aceros de los rotores y en desarrollar métodos de monitorización para las regiones dañadas durante las operaciones de mantenimiento y reparación de los turboagregados (conjunto de eje, rueda de la turbina y rueda compresora). También se emplean métodos no destructivos como la corriente de Foucault in situ y el monitoreo ultrasónico de la difusión de hidrógeno.
Nucleación de nanoporos e iniciación de grietas inducida por hidrógeno Estudios recientes han demostrado que los procesos de degradación inducidos por hidrógeno pueden implicar la nucleación (creación de núcleos) de defectos a escala nanométrica y de nanoporos en aleaciones estructurales. Estos nanoporos actúan posteriormente como puntos de inicio y propagación de grietas. Las investigaciones experimentales de superaleaciones de Ni-Co (cobalto) demostraron que el hidrógeno puede acelerar la nucleación de nanoporos y promover la formación de microfisuras bajo carga mecánica.
El daño inducido por hidrógeno en materiales metálicos suele estar asociado a la formación de defectos a nanoescala que actúan como precursores del inicio de grietas. En entornos que contienen hidrógeno, el hidrógeno absorbido por el metal puede acumularse en defectos de su red cristalina, límites de grano y estructuras de dislocación, promoviendo la plasticidad localizada y facilitando la nucleación de nanoporos. También se han analizado mecanismos de degradación similares para aceros estructurales que operan en entornos ricos en hidrógeno, incluidos los sistemas turbogeneradores refrigerados por hidrógeno, donde la difusión y acumulación de hidrógeno pueden influir en la integridad de los aceros del rotor y su resistencia al agrietamiento.
Susceptibilidad del material El hidrógeno fragiliza diversos metales entre los que pueden citarse el acero, el aluminio (solo a altas temperaturas) y el titanio. El hierro austemperado también es susceptible, aunque el acero austemperado muestra una mayor resistencia a la fragilización por hidrógeno. La NASA ha revisado qué metales son susceptibles a la fragilización y cuáles son más propensos al ataque de hidrógeno caliente, incluidas las aleaciones de níquel, el acero inoxidable austenítico, las aleaciones de aluminio y las aleaciones de cobre. Los Laboratorios Nacionales Sandia también han elaborado una referencia técnica exhaustiva.