Resumen de Utilización de nuevas metodologías en la caracterización mecánica de aceros estructurales en presencia de hidrógeno
Guillermo Álvarez Díaz
RESUMEN (en español) En la presente tesis doctoral se estudia el fenómeno de fragilización por hidrógeno (FPH) en aceros estructurales. Actualmente no existe un ensayo de caracterización mecánico concreto para determinar la susceptibilidad de los materiales, sin embargo, si se conocen las variables que pueden determinar el mayor o menor efecto de este fenómeno en el acero. Por ello, en este trabajo se llevan a cabo distintos métodos de ensayo con diferentes parámetros con el fin de encontrar los óptimos para esta caracterización con métodos no convencionales.
Para introducir el hidrógeno en el material se han utilizado tanto métodos de precarga electroquímica como de gas a presión y a temperatura. Con el fin de conocer el contenido introducido durante este proceso y la evolución del mismo, también se han medido las concentraciones de hidrógeno para diferentes tiempos con un analizador de hidrógeno. Con el fin de proporcionar una mayor información del comportamiento de este en el interior de los materiales y por tanto de su difusión se han realizado ensayos de permeación electroquímica.
Posteriormente se analizó el grado de susceptibilidad de los materiales a este fenómeno a través de ensayos experimentales. En este caso se decidió utilizar ensayos de caracterización mecánica a fractura, para ello se han llevado a cabo ensayos con varias geometrías de probetas. En primer lugar, se utilizaron probetas normalizadas de flexión en tres puntos (SENB) con el fin de analizar el efecto de la velocidad de desplazamiento en el parámetro de tenacidad a la fractura crítico (JIc) en presencia de hidrógeno interno. Posteriormente con el objetivo de poder realizar la caracterización de componentes con poca disponibilidad de material, se modificó la geometría de la probeta y se utilizaron probetas tipo tracción con grieta lateral (SENT) de pequeño espesor. En este caso se analizó la influencia del tipo de precarga realizada, así como la velocidad aplicada durante el ensayo, comparando los resultados con probetas normalizadas. Tras los resultados obtenidos y con la intención de disminuir aún más la cantidad de material necesario para caracterizar este fenómeno y además aplicarlo para el estudio de la zona afectada térmicamente (ZAT) de una soldadura se decidió aplicar el ensayo miniatura de punzonado o Small Punch Test (SPT). Para ello se utilizó una geometría de probeta con entalla longitudinal no pasante con el fin de generar una mayor concentración de tensiones.
Los resultados generales de la investigación muestran como el método de introducción de hidrógeno debe de ser escogido en función del tipo de ensayo que se va a realizar, así como la velocidad debe ser siempre lenta para permitir una mayor difusión del hidrógeno hacia la zona de proceso y conseguir una mayor concentración y por tanto fragilización del material. La utilización de probetas miniatura muestran una menor fragilización respecto al resto de geometrías, sin embargo, sigue siendo posible captar perfectamente este fenómeno y la susceptibilidad del material al mismo.
RESUMEN (en Inglés) In this PhD thesis, the phenomenon of hydrogen embrittlement (HE) in structural steels is studied. Currently there is no specific mechanical characterization test to determine the susceptibility of materials, however, the variables that can determine the effect of this phenomenon on steel are known. For this reason, in this work different test methods are carried out with different parameters in order to find the optimal ones for this characterization with non-conventional methods.
To introduce hydrogen into the material, both electrochemical precharge methods and gas under pressure and temperature have been used. In order to know the content introduced during this process and its evolution, hydrogen concentrations have also been measured for different times with a hydrogen analyzer. In order to provide more information about the diffussion behaviour in the materials, electrochemical permeation tests have been carried out.
Subsequently, the degree of susceptibility of the materials to this phenomenon was analyzed through experimental tests. In this case, it was decided to use tests based on mechanical characterization to fracture using several specimen geometries. First, standard single edge notched bending specimens (SENB) were used in order to analyze the effect of the displacement rate on the critical fracture toughness parameter (JIc) in the presence of internal hydrogen. With the aim of perform the characterization of components with low material availability, the geometry of the specimen was modified and single edge notched tension (SENT) specimens were used. In this case, the influence of the type of precharge performed was analyzed, as well as the displacement rate applied during the test, comparing the results with standardized specimens. After the results obtained and with the intention of decrease the amount of material necessary to characterize this phenomenon and also apply it to the study of the heat affected zone (HAZ) of a weld, it was decided to carry out the Small Punch Test (SPT). For this, a non-through longitudinal notch specimen geometry was used in order to generate a higher stress concentration.
The general conclusions of the research show how the hydrogen introduction method must be chosen according to the type of test to be carried out, as well as the displacement rate must be slow to allow a greater diffusion of hydrogen towards the process zone and reach a higher concentration and therefore an embrittlement of the material. The use of SPT specimens show less embrittlement compared to the rest of geometries, however, it is still possible to perfectly show this phenomenon and the susceptibility of the material to it.
