Caracterización mecánica y análisis de la fragilización por hidrógeno de aceros estructurales mediante el ensayo small punch

Abstract

Para la caracterización mecánica de un elemento estructural se requiere una cantidad de acero relativamente grande, que en muchas ocasiones no está disponible, bien porque el componente sea muy pequeño o de geometría compleja, o bien porque se quiera analizar su vida en servicio sin alterar su funcionamiento. En estos casos debe recurrirse a un ensayo miniatura, siendo uno de los más interesantes el ensayo small punch (SPT). Este trabajo presenta un amplio análisis de la validez del SPT para estimar las propiedades mecánicas a tracción y a fractura, así como la susceptibilidad a la fragilización por hidrógeno, de los aceros estructurales. Existen diferentes propuestas para la estimación de las propiedades mecánicas a tracción y a fractura mediante el ensayo SPT. En este trabajo se ha ensayado experimentalmente un amplio rango de materiales metálicos, y se ha realizado también un estudio numérico, para determinar las propuestas más adecuadas. En lo que respecta a la estimación de la tenacidad a fractura, una de las estrategias más recientes es la utilización de probetas entalladas. Se ha analizado la evolución de la apertura de los flancos de la entalla en la probeta SPT para dos grados de acero CrMoV: un metal base y un metal de aporte, ambos templados y revenidos a diferentes temperaturas. Se han realizado ensayos completos e interrumpidos, empleando probetas con entalla longitudinal no pasante, con relación profundidad de entalla - espesor de 0.3. Se realizó también un estudio numérico para apoyar los resultados experimentales. La iniciación de la grieta en el frente de la entalla fue verificada mediante observación de las probetas en un microscopio electrónico de barrido, así como mediante la comparación de las curvas numéricas (sin modelo de daño) y las experimentales. La metodología desarrollada parece adecuada para el estudio de aceros con comportamiento dúctil. Por otro lado, la fragilización por hidrógeno es un fenómeno de degradación de las propiedades mecánicas de los aceros. Su estudio es muy importante en el caso de equipos expuestos a medios ácidos, como recipientes y tuberías empleados en la industria energética o plataformas off-shore. También es un problema que debe ser tenido en cuenta durante el proceso de fabricación, puesto que el hidrógeno puede ser introducido durante el soldeo, al aplicar recubrimientos electrolíticos, etc. Se han estudiado dos metodologías para analizar el deterioro de las propiedades mecánicas producido por la entrada de hidrógeno mediante el SPT. En la primera, las probetas fueron pre-cargadas con hidrógeno antes del ensayo, mientras que en la segunda, la carga se realizó al mismo tiempo que el ensayo. Con este último propósito se desarrolló un nuevo dispositivo SPT. Los mismos grados de acero CrMoV anteriormente descritos fueron utilizados en esta tarea. Se realizaron ensayos de tracción sobre probetas pre-cargadas de hidrógeno, así como medidas del contenido de hidrógeno. Se observó una mayor absorción de hidrógeno en el metal de aporte, debido a su microestructura compuesta por bainita revenida a baja temperatura. Este acero fragilizó tanto en los ensayos de tracción como en los SPT en presencia de hidrógeno, y no se observaron diferencias significativas entre las dos metodologías SPT analizadas. Sin embargo, el metal base solo se pudo fragilizar cuando la carga de hidrógeno se realizó al mismo tiempo que el ensayo, mostrando la idoneidad de esta metodología para detectar el daño por hidrógeno. Los mecanismos de fractura cambiaron totalmente de dúctil a frágil en el ensayo en hidrógeno, y los parámetros SPT típicos mostraron una clara disminución de la ductilidad y de la tenacidad a fractura, siendo más susceptible el metal de aporte. Se ha demostrado por tanto el potencial del SPT para evaluar la susceptibilidad a la fragilización por hidrógeno, y se han obtenido los parámetros más adecuados para analizar la reducción de las propiedades mecánicas de los aceros en este medio.