Fragilización ambiental por hidrógeno

Bajo el término fisuración inducida por el ambiente (EIC: Enviromental Induced Cracking) se engloban una serie procesos de fisuración de desarrollo subcritico, que resultan de la acción sinérgica de un factor tensional y una degradación producida por el medio. Este tipo de fenómenos se designan por el término genérico de corrosión bajo tensión o tenso corrosión.

Para muchos autores, la Fisuración Inducida por Hidrogeno (HIC) se considera un caso particular de tensocorrosión, en el que la progresión se produce por el efecto enfragilizador derivado de la generación y absorción de hidrógeno en el material. Desde AZTERLAN se prefiere la interpretación de este tipo de fallos como un caso particular de fragilización por hidrogeno, en el que la fuente de hidrógeno no corresponde al proceso de fabricación, sino que se genera por un proceso corrosivo en servicio.

La fragilización ambiental por hidrógeno o inducida por procesos de corrosión (EHE: Enviromental Hydrogen Embrittlement), es un fenómeno ampliamente documentado a nivel experimental, pero que no suele contemplarse en la etapa de diseño (salvo tal vez en aplicaciones con protección catódica u ánodo de sacrificio) y rara vez se toma en consideración en los estudios de fallo de componentes estructurales, como por ejemplo elementos de fijación. Sin embargo, la utilización de elementos de fijación de alta resistencia con recubrimiento de sacrificio (como por ejemplo el zinc) implica un riesgo potencial de sufrir este tipo de fragilización inducida por el medio y debería contemplarse siempre en la casuística de fallo.

En elementos de fijación con recubrimiento de zinc es conocido el riesgo potencial de fragilización por hidrógeno provocado por aspectos intrínsecos al proceso de fabricación, como por ejemplo el baño ácido previo al galvanizado en caliente, o el propio proceso de aplicación de recubrimientos electrolíticos. De cualquier forma, pocas veces se valora adecuadamente el comportamiento de este recubrimiento por su carácter anódico. Los recubrimientos de zinc están diseñados para actuar como metal de sacrificio protegiendo al acero de la corrosión. Si en estos recubrimientos anódicos se genera cualquier tipo de deterioro o daño que afecte a la integridad del mismo, dejando por ejemplo zonas de metal expuestas, se crearía un acoplamiento galvánico entre el recubrimiento y el metal expuesto, que convertiría en catódica esta zona de metal desnudo, evitando su corrosión. Esta capacidad de protección del zinc sobre el acero, incluso en zonas desnudas, se conoce como protección catódica y es característica de este tipo de recubrimientos.

Ahora bien, la presencia de discontinuidades o agrietamientos en la capa del recubrimiento de Zinc que deje expuesto el metal al electrolito, posibilita la existencia de pilas galvánicas entre el Zn y el acero. Toda la superficie del elemento de fijación recubierta por el zinc actúa como ánodo, liberando átomos de hidrógeno en posiciones catódicas; que además presentan un área reducida, en relación al área anódica, lo que incrementa la intensidad de la emisión. El hidrógeno desprendido se difunde hacia el acero desnudo (posición catódica de la pila) posibilitando la capación local de hidrogeno atómico difusible en dicha posición. La fuente de hidrógeno por tanto sería el propio proceso de corrosión de la capa de recubrimiento.

El riesgo potencial se incrementa si se considera que es precisamente en las posiciones más tensionadas, como radios de acuerdo o fondos de rosca,  donde más posibilidad hay de encontrar agrietamientos en el recubrimiento. La hidrogenación se concentra en el frente de grieta, que es además el punto máximo de concentración de esfuerzos, posibilitando así la fragilización y la progresión de la grieta mediante la sucesiva hidrogenación del frente de grieta, hasta que la reducción de la sección alcanza un valor crítico que provoque el colapso del elemento.

La apariencia macroscópica de la superficie de fractura de este tipo de fallos, en muchos casos, recuerda a la de una rotura a fatiga. Con la particularidad de que al ser dependiente de la propia tensión de apriete, si el reparto de ésta es relativamente uniforme en la sección, es frecuente que presente varios frentes simultáneos de progresión radial, nucleados en todo el contorno de la sección.

La textura de la zona de progresión presenta carácter granular, especialmente en los estadios iniciales en torno a la periferia, atenuándose progresivamente hacia el interior, donde se genera una textura característica en forma de “helechos” que designamos como arborescente. Es frecuente que la etapa final de la rotura, no afectada por la hidrogenación, presente caracteres muy diferentes, incluso dúctiles y que los límites de ambas zonas estén muy bien definidos, sin apenas transición, similar, de nuevo, a los fallos a fatiga.

Si ya de por sí cualquier incidencia de fallo por fragilización de hidrógeno en un lote de elementos “idénticos”, fabricados  en “idénticas” condiciones, solo afecta a una pequeña parte de componentes de forma aparentemente aleatoria, este tipo de enfragilizacion ambiental presenta un carácter aun más aleatorio, puesto que incluye muchos más parámetros o condiciones necesarias para el desarrollo del fallo.

Un aspecto muy importante para el diagnóstico de este tipo de fallo es el tiempo que transcurre desde el momento de montaje, hasta que se produce la rotura diferida. Si se trata de un periodo inferior a tres días, todo apunta a un fallo de fragilización por hidrógeno correspondiente a una fuente intrínseca. Si por el contrario el fallo se produce después de varios días o incluso meses, se puede considerar prácticamente descartable la vía intrínseca, y es cuando la hipótesis de la hidrogenación ambiental debiera incluirse entre las posibilidades a analizar.

AZTERLAN ha desarrollado durante los últimos años numerosas investigaciones en este ámbito, cuya incidencia es bastante más severa de lo que parece o se reconoce a nivel industrial. 

El diagnóstico de un fallo de estas características es complejo y en cierta forma incómodo, puesto que la responsabilidad del mismo no se identifica de forma clara en ninguna de las partes actoras (tanto la tecnología empleada para la fabricación del componente, como el diseño o el montaje de la unión han sido llevados a cabo correctamente, y sin embargo, la unión ha fallado). El conocimiento metalúrgico y la experiencia en fenómenos de mecánica de fractura, junto con el uso de herramientas analíticas avanzadas, facilitan sin embargo la identificación de dichos fenómenos.

En esta superficie de fractura se evidencia la existencia de un fenómeno de fragilización. La etapa de progresión inicial presenta un mecanismo predominantemente intergranular, de carácter frágil, mientras que la etapa final corresponde a una rotura dúctil; sin que exista ningún factor estructural que justifique esta diferencia de comportamiento tan acusada.