Permeación y difusión de hidrógeno en aceros de alta dureza
La fragilización por hidrógeno en materiales de alta dureza, como los aceros estructurales y aceros de ultra alta resistencia, es responsable de fallos como la propagación de grietas a cargas subcríticas o iniciación de fracturas, con la consiguiente pérdida en propiedades mecánicas como la ductilidad, dureza y tenacidad. Reportada por primera vez en 1875 por Johnson, también observó que la pérdida de propiedades mecánicas se revierte al eliminar la presencia del hidrógeno en el medio. Este efecto localizado en ámbitos de uso aislados, como en entornos marinos muy concretos o el oil & gas, es cada vez más evidente y exige soluciones de forma más acuciante dado el desarrollo acelerado relacionado con el uso del hidrógeno como combustible y la generación de energía eólica marina u offshore.
Hay estudios del efecto del Hidrógeno en la tenacidad y comportamiento a fatiga de materiales metálicos en los que se muestran evidencias de que la fragilización mecánica está controlada por la velocidad de difusión del hidrógeno atómico en el acero. En general, se pueden distinguir los siguientes procesos en un sistema metal/hidrógeno: (i) la entrada de hidrógeno atómico producido por un proceso catódico en el metal, (ii) el transporte (difusión) del hidrógeno en el interior del metal y (iii) el atrapamiento del hidrógeno en solución sólida o en defectos estructurales.
Hemos visto que los defectos cristalinos tienen un rol principal en la absorción y difusión del hidrógeno en el material. Estudios teóricos avalados por observaciones experimentales sugieren que la presencia de hidrógeno reduce la energía de formación de defectos cristalinos, tales como dislocaciones, vacantes, bordes de grano o superficies de agrietamiento. Asimismo, el hidrógeno se concentra alrededor de estos defectos, ya que tienen una capacidad de fijación (hydrogen trapping) mucho mayor.
Otra relación importante que tener en cuenta es la interacción entre el hidrógeno y los distintos precipitados del material, ya sean carburos o nitruros utilizados como refinadores de grano o endurecedores por precipitación, o fases secundarias que hayan precipitado tras algún tratamiento térmico. El hidrógeno queda atrapado en los precipitados finos (como carbonitruros de V, Nb o Ti), aumentando la absorción de hidrógeno del acero y disminuyendo su difusividad. Estos precipitados finos (de decenas de nm de radio) mejoran la resistencia a la fragilización por hidrógeno de los aceros, en comparación al acero de referencia sin micro-aleantes.
Para entender la dependencia de la absorción de hidrógeno del material con el tamaño de grano del acero hay que tener en cuenta que este hidrógeno se fijará en mayor medida en dos lugares: en los bordes de grano y en los defectos cristalinos. En muestras distensionadas que no han sufrido deformaciones, la presencia de defectos cristalinos es pequeña, por lo que la capacidad de absorber hidrógeno aumenta al disminuir el tamaño de grano (al aumentar la superficie total de bordes de grano). En piezas deformadas plásticamente, por el contrario, el efecto de fijación de hidrógeno por los defectos de red domina sobre el efecto de los bordes de grano, haciendo que la absorción de hidrógeno aumente con el incremento del tamaño de grano. A la hora de relacionar el efecto del tamaño de grano en las propiedades mecánicas de muestras en presencia de hidrógeno, sin embargo, los resultados son complicados, ya que compiten dos efectos que dependen del tamaño de grano: el cambio de propiedades mecánicas (sin tener en cuenta el hidrógeno) y la absorción de hidrógeno por el material.
“Necesitamos mejorar la comprensión del comportamiento de los materiales metálicos en contacto con hidrógeno para diseñar y fabricar aleaciones y estructuras más duraderas en entornos ricos en este elemento”.
Los sistemas de almacenamiento de hidrógeno hasta presiones de 300 bares utilizan aceros o aluminio sin costuras como elementos principales. Sin embargo, para llegar a altas presiones superiores a los 350 bares requieren estructuras complejas de materiales metálicos recubiertos con capas de fibra de vidrio y resinas compuestas que hacen compleja su fabricación y, sobre todo, su reciclado al final de su vida útil.
Los composites multicapa son una combinación de aleaciones que combinan propiedades propias de los dos materiales y a su vez tienen un efecto multiplicador en propiedades como la resistencia al impacto o mecánica. Su uso mediante el desarrollo de capas intermedias robustas permite pensar en estos materiales como una alternativa a futura a la compleja combinación planteada hoy en día.