Fragilización por hidrógeno: cómo el acero pierde ductilidad es la pérdida de tenacidad y ductilidad que ocurre cuando el hidrógeno atómico se absorbe en el retículo metálico, permitiendo que los aceros de alta resistencia se agrieten de forma frágil con tensiones aplicadas o residuales muy por debajo de su límite de fluencia.
La falla a menudo es retardada, apareciendo horas o días después de la carga, lo que la convierte en uno de los mecanismos de degradación más peligrosos con los que se enfrentará un ingeniero de mantenimiento o de integridad.
La fragilización por hidrógeno está impulsada por átomos de hidrógeno individuales, no por moléculas de hidrógeno. El hidrógeno atómico es lo suficientemente pequeño como para difundirse a través del retículo del hierro y acumularse en regiones de alta tensión como puntas de grieta, inclusiones, límites de grano y núcleos de dislocación.
Una vez concentrado allí, el hidrógeno reduce la resistencia cohesiva del metal y disminuye la energía necesaria para abrir una grieta. Bajo tensión de tracción sostenida, el material puede fallar por clivaje o fractura intergranular aun cuando una prueba de tracción estándar sobre material virgen mostraría amplia ductilidad.
Dos características definen el mecanismo y lo separan de una sobrecarga ordinaria:
El hidrógeno puede entrar en el acero durante la fabricación, la conformación o el servicio. Las fuentes más comunes incluyen:
La susceptibilidad aumenta bruscamente con la resistencia y la dureza. Los aceros ferríticos blandos y de baja resistencia toleran el hidrógeno absorbido con poco efecto, mientras que los aceros martensíticos y templados y revenidos pueden agrietarse con facilidad. La variable de control en la mayoría de las especificaciones es la dureza, que se correlaciona con la resistencia a la tracción y con el riesgo de fragilización.
| Condición del acero | Resistencia a la tracción aprox. | Dureza típica | Riesgo de fragilización |
|---|---|---|---|
| Acero dulce bajo en carbono (tal como laminado) | Por debajo de 700 MPa | Por debajo de 22 HRC | Bajo |
| Acero aleado de resistencia media | 700 a 1000 MPa | 22 a 32 HRC | Moderado |
| Acero de alta resistencia templado y revenido | 1000 a 1400 MPa | 33 a 40 HRC | Alto |
| Ultra alta resistencia (tornillería, muelles) | Por encima de 1400 MPa | Por encima de 40 HRC | Severo |
Por eso los pernos grado 12.9, los aceros de los trenes de aterrizaje de aeronaves y los aceros para muelles exigen un estricto control del proceso, mientras que las secciones estructurales ordinarias rara vez causan problemas.
La fragilización por hidrógeno es fácil de confundir con otros modos de agrietamiento, y la distinción importa para el análisis de la causa raíz. No debe confundirse con el crecimiento por cargas cíclicas de la fatiga del metal , que requiere esfuerzos fluctuantes.
También se solapa con, pero no es idéntica a, el agrietamiento por corrosión bajo tensión asistido por el ambiente, donde un corrosivo específico y una tensión de tracción actúan conjuntamente.
En servicio con H2S ambos pueden ocurrir simultáneamente, por lo que normalmente se requiere una revisión fractográfica y ambiental para asignar la causa correcta.
La fragilización por hidrógeno es prevenible cuando se controlan el proceso y el material. Medidas probadas incluyen:
Dado que las grietas son estrechas y a menudo subsuperficiales, tanto las pruebas no destructivas superficiales como las volumétricas desempeñan un papel. Las fisuras finas en la superficie de componentes ferromagnéticos se encuentran comúnmente con ensayos por partículas magnéticas , mientras que los métodos ultrasónicos cartografían ampollas HIC internas y agrietamientos escalonados.
Como la falla es retardada, los intervalos de inspección deben tener en cuenta el período de incubación después de que una pieza entra en servicio.
Registrar lotes de recubrimiento, lotes de consumibles de soldadura, registros de horneado y resultados de inspección en un sistema de mantenimiento como Fabrico mantiene la trazabilidad de la que dependen las auditorías de integridad y las investigaciones de fallos.
Solicite una demostración de Fabrico para ver cómo se captura esa historia asociada a cada activo.
Si la fisuración aún no ha ocurrido, el hidrógeno absorbido puede a menudo eliminarse mediante un horneado oportuno, restaurando la mayor parte de la ductilidad. Una vez que se ha formado una grieta, el daño es permanente y la pieza debe ser reemplazada. El horneado solo es eficaz antes de la fractura y si se realiza poco tiempo después de la carga de hidrógeno.
El hidrógeno debe difundirse a través del retículo y acumularse en las regiones sometidas a tensión antes de que la concentración local sea lo suficientemente alta para iniciar una grieta. Esta difusión lleva tiempo, por lo que las piezas pueden superar las pruebas de carga iniciales y luego fallar horas o días después bajo tensión sostenida.
Para aceros al carbono y de baja aleación en entornos con H2S húmedo, un máximo de 22 HRC es el límite común establecido por NACE MR0175 / ISO 15156, junto con controles sobre microestructura y soldadura. Los materiales de mayor dureza requieren una calificación específica.
Los aceros inoxidables austeníticos son mucho menos susceptibles debido a su estructura cúbica centrada en las caras y su baja difusividad del hidrógeno. Sin embargo, los grados martensíticos de alta resistencia y los endurecidos por precipitación pueden aún fragilizarse y necesitan los mismos controles de dureza y de proceso.
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