¿Cómo el hidrógeno debilita los materiales mediante la fragilización?

Introducción

El hidrógeno, aunque considerado una fuente limpia de energía, puede tener efectos perjudiciales sobre los materiales con los que entra en contacto, especialmente en el contexto industrial. La fragilización por hidrógeno es un fenómeno crítico que puede comprometer la integridad estructural de componentes sometidos a ambientes ricos en hidrógeno, como en la industria petroquímica, automotriz, y aeronáutica.

Este proceso involucra la interacción del hidrógeno con la microestructura de los materiales, debilitando sus propiedades mecánicas y generando fisuras inducidas por hidrógeno que pueden llevar a fallos catastróficos. Este artículo explora los mecanismos de fragilización por hidrógeno, los efectos del hidrógeno atómico sobre los materiales y cómo la corrosión por hidrógeno contribuye a la degradación de las propiedades mecánicas.

El hidrógeno en materiales

El hidrógeno es un elemento que, puede actuar como un agente debilitante en muchos materiales. Se presenta en forma atómica, molecular o iónica y, dependiendo de su forma y concentración, puede interaccionar de manera diferente con los materiales. En su forma atómica, el hidrógeno es especialmente reactivo y puede interactuar con algunos metales, alterando su microestructura y reduciendo su resistencia mecánica.

Cuando los materiales están expuestos a hidrógeno en determinadas condiciones, este puede penetrar en las superficies metálicas y difundir a través de la microestructura del material. Este proceso es conocido como fragilización por hidrógeno, y es particularmente problemático en metales de alta resistencia, como los aceros y aleaciones de níquel. La presencia de hidrógeno atómico dentro de la estructura del material puede provocar alteraciones a nivel de los enlaces atómicos, lo que debilita su capacidad para resistir esfuerzos mecánicos.

Mecanismos de fragilización por hidrógeno

Estos mecanismos pueden dividirse en varios fenómenos interrelacionados. A continuación, se detallan los más significativos:

Corrosión por hidrógeno

Es uno de los mecanismos principales que contribuye a la fragilización de los materiales. En ambientes ácidos o de alta presión de hidrógeno, el hidrógeno puede ser producido por reacciones de corrosión, donde el hidrógeno atómico se difunde hacia el interior del material. Este fenómeno se asocia a la degradación de las propiedades mecánicas y, en particular, a la formación de fisuras inducidas por hidrógeno. La corrosión por hidrógeno no solo afecta a la superficie, sino que puede penetrar en la estructura interna del material, provocando fallos mecánicos.

Agrietamientos o fisuras inducidas por hidrógeno

Este fenómeno ocurre cuando el hidrógeno penetra en los granos de un material y provoca su fractura. Las fisuras inducidas por hidrógeno pueden formarse a nivel intergranular o transgranular, dependiendo de las características del material y las condiciones ambientales. En los aceros de alta resistencia, el hidrógeno puede acumularse en los límites de grano, lo que reduce significativamente la tenacidad del material y puede dar lugar a fallos prematuros bajo cargas relativamente bajas.

Ampollas por hidrógeno

Las ampollas por hidrógeno son defectos que se generan en los aceros cuando el hidrógeno atómico penetra en su estructura y queda atrapado en ciertas zonas internas. Este proceso comienza cuando los iones de hidrógeno se reducen a átomos y se absorben en la superficie del acero. Algunos de estos átomos se difunden a través del material y quedan retenidos en áreas específicas, como vacíos microscópicos alrededor de inclusiones no metálicas.

Dentro de estas trampas, los átomos de hidrógeno se combinan para formar moléculas de gas (H₂). Debido a que el hidrógeno molecular no puede difundirse con la misma facilidad que el hidrógeno atómico, el gas queda confinado en espacios pequeños. Con el tiempo, la acumulación de gas genera una presión interna creciente que, cuando supera la resistencia del material, provoca la formación de ampollas en la superficie del acero.

Reducción de resistencia mecánica

La presencia de hidrógeno en los materiales puede disminuir significativamente su capacidad para soportar cargas mecánicas. La fragilización por hidrógeno afecta especialmente a las propiedades de ductilidad y resistencia a la tracción. Los materiales sometidos a tensiones mecánicas y exposición a hidrógeno pueden sufrir una pérdida considerable de su resistencia, lo que puede resultar en fallos estructurales no previstos.

Corrosión por hidrógeno: Un fenómeno complejo

Es un proceso electroquímico que se produce cuando los materiales metálicos entran en contacto con ambientes que contienen hidrógeno en altas concentraciones. Este fenómeno no solo provoca el debilitamiento del material en términos de resistencia mecánica, sino que también puede generar defectos superficiales y una reducción en la vida útil de los componentes expuestos.

En este tipo de corrosión, el hidrógeno atómico se genera a partir de reacciones de reducción de protones en la superficie del material. Estos átomos de hidrógeno se difunden a través de la microestructura del metal y pueden acumularse en los límites de grano, interfaces de fase o incluso en dislocaciones. Esta acumulación de hidrógeno atómico puede dar lugar a la formación de fisuras intergranulares y otros defectos a nivel microestructural.

Microestructura de los materiales afectados por hidrógeno

La microestructura de los materiales juega un papel relevante en la fragilización por hidrógeno. Los materiales con estructuras de grano fino son más susceptibles a los efectos de la penetración de hidrógeno, ya que el hidrógeno atómico puede acumularse más fácilmente en los límites de grano. En materiales de grano grueso, el hidrógeno tiene menos movilidad, lo que puede hacer que la fragilización sea menos pronunciada.

Los materiales con baja tenacidad o los que contienen impurezas en sus estructuras también pueden ser más susceptibles a la fragilización. Por ejemplo, en las aleaciones de aluminio o titanio, la presencia de elementos como el carbono o el oxígeno puede facilitar la absorción de hidrógeno y aumentar la formación de fisuras.

Microestructura de una soldadura dañada por hidrógeno a alta temperatura.

¿Qué materiales son más vulnerables a la fragilización por hidrógeno?

Varían según la microestructura, composición química y condiciones de exposición de cada material. Los materiales más vulnerables incluyen:

• Las aleaciones de vanadio, níquel y titanio: Tienen una alta solubilidad en hidrógeno y, por lo tanto, pueden absorber cantidades significativas de hidrógeno
• Aceros de alta resistencia: Los aceros martensíticos y bainíticos son particularmente sensibles, ya que su elevada dureza y resistencia favorecen la acumulación de hidrógeno en defectos cristalinos.
• Los aceros al carbono y de baja aleación: Estos materiales utilizados en la industria petrolera y nuclear son propensos a la fragilización por hidrógeno en presencia de medios ácidos o procesos de soldadura.
• Metales refractarios (tantalio, niobio, zirconio): Se ven afectados por la absorción de hidrógeno, lo que provoca la formación de hidruros y reduce su resistencia mecánica en aplicaciones de altas temperaturas.

Procesos de deshidrogenado

Para contrarrestar los efectos negativos del hidrógeno sobre los materiales, se pueden emplear procesos de deshidrogenado. Estos procesos están diseñados para eliminar el hidrógeno atómico que se ha acumulado dentro de la estructura del material. El tratamiento térmico es una de las formas más comunes de deshidrogenado, donde los materiales se calientan a temperaturas elevadas para permitir que el hidrógeno se difunde hacia la superficie y se libere.

Aunque el proceso de deshidrogenado puede ser eficaz para reducir la concentración de hidrógeno en un material, no garantiza una eliminación completa del hidrógeno que se haya infiltrado profundamente en la microestructura. Por lo tanto, la prevención de la fragilización por hidrógeno debe ser parte de un enfoque integral que incluya la selección de materiales adecuados y el control de las condiciones ambientales.

Fenómenos intergranulares y fisuras inducidas por hidrógeno

El hidrógeno atómico que se acumula en los límites de grano puede provocar fenómenos intergranulares, donde las fisuras se propagan a lo largo de estos límites. Esto es especialmente problemático en materiales de alta resistencia, como los aceros de alta aleación y los aceros inoxidables, donde la acumulación de hidrógeno puede comprometer la integridad estructural. Las fisuras intergranulares inducidas por hidrógeno son a menudo invisibles a simple vista, lo que hace que los fallos sean difíciles de predecir y prevenir.

Estas fisuras intergranulares pueden desencadenar la propagación rápida de grietas bajo tensiones mecánicas, lo que acelera la fractura del componente. El fenómeno de fisuración intergranular es más prevalente en materiales sometidos a tensiones de tracción y a ambientes de alta concentración de hidrógeno, lo que subraya la importancia de controlar la exposición al hidrógeno y de utilizar materiales con alta resistencia a la penetración de hidrógeno.

Propiedades mecánicas degradadas

El efecto del hidrógeno sobre las propiedades mecánicas de los materiales no puede ser subestimado. Los materiales que han sido debilitados por la penetración de hidrógeno presentan una reducción en sus propiedades mecánicas, como la tenacidad, la ductilidad y la resistencia a la fatiga. Esta degradación puede ocurrir sin una deformación significativa observable, lo que hace que los materiales afectados sean particularmente peligrosos en aplicaciones críticas.

Además, la fragilización por hidrógeno puede dar lugar a fallos catastróficos incluso en condiciones de carga relativamente bajas. Las propiedades mecánicas degradadas pueden comprometer la seguridad de estructuras críticas, como tuberías, reactores y componentes de aeronaves, lo que requiere una supervisión constante y la implementación de prácticas de mantenimiento preventivo.

Soldabilidad 

Los problemas de soldabilidad en materiales afectados por el hidrógeno se deben a fragilización causada por ese elemento, el cual compromete la integridad de la unión soldada y puede generar fallas prematuras. Estos problemas surgen principalmente por los siguientes factores:

• Fisuración en frío (Fisuras inducidas por hidrógeno): Ocurre cuando el hidrógeno atómico, generado durante la soldadura, se difunde en la zona afectada por el calor (ZAC) y se acumula en defectos microestructurales, provocando fisuras retardadas, la cual es más posible que suceda en aceros de alta resistencia y materiales con estructuras endurecidas.
• Porosidad en la soldadura: La presencia de hidrógeno en el baño de fusión genera burbujas de gas que quedan atrapadas en el metal solidificado, reduciendo la resistencia mecánica y la calidad de la soldadura.

Causas principales de estos problemas

• Contaminación por hidrógeno en los consumibles de soldadura, humedad en los electrodos o en la atmósfera de protección.
• Tensiones residuales elevadas, que aceleran la propagación de fisuras inducidas por hidrógeno.

Soluciones para mitigar estos problemas

• Uso de electrodos y gases de protección bajos en hidrógeno.
• Aplicación de tratamientos térmicos de deshidrogenado post-soldadura.
• Control de los parámetros de soldadura para evitar microestructuras frágiles.
• Reducir el contenido de humedad en el gas protector o disminuyendo la humedad en el área de soldadura.
• Precaución en el diseño para reducir la concentración de tensiones en la unión soldada.

¿Cómo identificar la fragilización por hidrógeno?

Uno de los primeros métodos de identificación es la inspección visual, que permite detectar fisuras, fracturas o alteraciones en la superficie, especialmente en zonas sometidas a altos esfuerzos. Sin embargo, para una evaluación más precisa, es necesario recurrir a pruebas avanzadas, como:

• Ensayos mecánicos: Las pruebas de tracción y fatiga, son ensayos que miden la resistencia y ductilidad del material, permitiendo detectar fragilización por hidrógeno.
• Análisis microscópico: Con esta técnica podemos observar microfisuras no visibles a simple vista.
• Ensayos no destructivos (END):  Los métodos de END como ultrasonidos y radiografías, son utilizadas para examinar la integridad interna del material pudiéndose detectar ataques por hidrógeno.
• Métodos electroquímicos: Pruebas de permeación de hidrógeno, ayudan a evaluar la presencia y el impacto del hidrógeno en la estructura.

Conclusión

La fragilización por hidrógeno es un fenómeno complejo y perjudicial que afecta a diversos materiales, especialmente en industrias que operan en entornos con alta concentración de hidrógeno. Los mecanismos de fragilización, como la corrosión por hidrógeno, las fisuras inducidas por hidrógeno y los fenómenos intergranulares, deben ser comprendidos a fondo para prevenir fallos estructurales y garantizar la integridad de los componentes. La gestión adecuada de la exposición al hidrógeno, la selección de materiales resistentes y el uso de procesos de deshidrogenado son fundamentales para mitigar los riesgos asociados con este fenómeno.

Referencias

1. https://www.corrosionclinic.com/types_of_corrosion/hydrogen-induced_cracking_HIC.htm
2. https://faculty.kfupm.edu.sa/me/hussaini/corrosion%20engineering/Images/Hydrogen-wallblister.jpg
3. https://www.twi-global.com/technical-knowledge/job-knowledge/defects-hydrogen-cracks-in-steels-identification-045