Estudio de la difusividad y la fragilización por hidrógeno en el acero 42crmo4 templado y revenido

Zusammenfassung

RESUMEN (en español) El hidrógeno se considera actualmente como una de las alternativas más prometedoras a los combustibles fósiles tradicionales. De hecho, la fabricación de vehículos propulsados por hidrógeno, así como la construcción de infraestructuras para su repostaje se están impulsando enormemente en las economías modernas. En este tipo de instalaciones, componentes metálicos como recipientes a presión, válvulas o tuberías, están expuestos directamente a la acción de hidrógeno gaseoso a elevada presión. La utilización de aceros poco aleados de media y alta resistencia permitiría fabricar productos más ligeros y reducir los costes de fabricación. Sin embargo, estos aceros son susceptibles de padecer el fenómeno de fragilización por hidrógeno, viéndose sus propiedades mecánicas notablemente afectadas. Por lo tanto, el objetivo de esta tesis es estudiar los efectos del hidrógeno en el comportamiento a tracción, tenacidad a la fractura y fatiga del acero 42CrMo4 templado y revenidos a diferentes temperaturas, así como en la zona afectada térmicamente de grano grueso de las soldaduras realizadas con este acero. Las probetas utilizadas en los ensayos mecánicos se precargaron con hidrógeno gaseoso en un reactor a presión a 19.5MPa y 450ºC durante 21h. También se precargaron probetas cilíndricas para determinar la capacidad de absorción de hidrógeno y la cinética de desorción de los grados estudiados. Mediante desorción térmica (analizador de hidrógeno Leco DH603) se midió la concentración de hidrógeno presente en todos los aceros y la energía de activación del hidrógeno en sus trampas microestructurales. Se llevaron a cabo simulación mediante elementos finitos para evaluar la difusividad de todos los aceros. Además, se realizaron ensayos de permeación electroquímica de hidrógeno para evaluar la interacción entre los átomos de hidrógeno y las trampas microestructurales. Empleando la metodología de sucesivos transitorios crecientes ha sido posible determinar el coeficiente de difusión aparente y de la red, así como la densidad de trampas de hidrógeno. En función de los resultados obtenidos, la solubilidad de hidrogeno disminuye al hacerlo el tamaño de grano austenítico y al aumentar la temperatura de revenido, mientras que el coeficiente de difusión (el aparente y el de la red) aumentan. Consecuentemente, los aceros más duros y con microestructuras más groseras mostraron una mayor densidad de trampas de hidrógeno. Esto se debe a su mayor densidad de dislocaciones, que constituyen la principal trampa de hidrógeno en estos aceros, con una energía de atrapamiento asociada de 27 kJ/mol. Por tanto, la susceptibilidad al fenómeno de fragilización por hidrógeno fue mucho mayor en aquellos aceros revenidos a menor temperatura (mayor límite elástico) y en las microestructuras más groseras. Se ha demostrado que los índices de fragilización aumentaron al disminuir la velocidad de aplicación de la carga o la frecuencia y que únicamente el hidrógeno difusible es responsable del daño por hidrógeno. Finalmente, se realizó un exhaustivo análisis fractográfico empleando microscopía electrónica de barrido. Mientras que la coalescencia de microhuecos (CMH) fue el modo de fallo dúctil típico en los aceros ensayados sin hidrógeno interno, en las probetas precargadas con hidrógeno tuvieron lugar micromecanismos de fractura frágiles como la descohesión entre la matriz y las intercaras de los carburos (DMC) o de las lajas martensíticas (DLM). Detectándose incluso fractura intergranular (IG) en los aceros más duros y las microestructuras más groseras, al ser ensayadas a la menor velocidad de desplazamiento o frecuencia, debido a una mayor acumulación de hidrógeno en la zona de proceso cercana al frente de grieta. Este análisis fractográfico reveló la acción sinérgica del mecanismo de plasticidad localizada debida al hidrógeno (HELP) y de descohesión favorecida por hidrógeno (HEDE). De hecho, en primer lugar, el mecanismo HELP favorece el movimiento de las dislocaciones y por lo tanto el transporte y consiguiente acumulación de hidrógeno en la zona de proceso, y posteriormente el mecanismo HEDE ocasiona la descohesión entre intercaras microestructurales específicas. RESUMEN (en Inglés) Hydrogen is nowadays considered one of the most promising alternatives to traditional fossil fuels. In fact, commercial fuel cell vehicles and hydrogen refuelling stations are currently under construction in most industrialised countries. In these hydrogen infrastructures, different metallic components such as hydrogen pressure vessels, pipes or valves are directly exposed to high-pressure hydrogen gas. The application of medium and high-strength low-alloyed steels for the construction of these components enables lighter products as well as manufacturing cost reductions. However, these steels may undergo hydrogen embrittlement during their service life under high hydrogen pressure, being their mechanical properties considerably affected. Therefore, the aim of this thesis is to study the effects of hydrogen on the tensile, fracture toughness and fatigue behaviour of 42CrMo4 steel quenched and tempered at different temperatures and in the coarse grain heat affected zone welds produced with this steel. The specimens used in all the mechanical tests were pre-charged with hydrogen gas in a reactor at 19.5 MPa and 450ºC for 21 hours. Cylindrical specimens were alike pre-charged to determine hydrogen uptake and desorption behaviour. Thermal desorption analysis (using a Leco DH603) was employed to measure the hydrogen concentration in each steel and to determine the activation energy for desorption of hydrogen atoms from the microstructural trapping sites. Finite element simulations were also performed to study the hydrogen diffusivity of the different steel grades. Furthermore, electrochemical hydrogen permeation tests were carried out in order to evaluate the interaction between hydrogen atoms and the microstructure of the studied grades. Employing successive build-up transients methodology, it was possible to accurately determine the apparent and lattice diffusion coefficients, as well as the density of trapping sites. According to the obtained results, hydrogen solubility was seen to decrease with increasing tempering temperature, and decreasing prior austenitic grain size, following the hydrogen diffusion coefficients (both apparent and lattice) the opposite trend. In this line, the harder and coarser microstructures displayed a greater density of hydrogen trapping sites. This is explained in virtue of their greater dislocation density, being these the main trapping sites in these steels, with binding energies of around 27 kJ/mol. It was also observed that hydrogen embrittlement was much greater in the steel grades tempered at the lowest temperatures (with highest yield strengths) and the coarsest microstructures. It was demonstrated that hydrogen embrittlement indexes always increased when applying lower displacement rates/testing frequencies and that only diffusible hydrogen is responsible for hydrogen embrittlement. Finally, a comprehensive fractographic analysis was performed using scanning electron microscopy and the main operative failure micromechanisms due to the presence of internal hydrogen were determined. While microvoids coalescence (MVC) was found to be the typical ductile failure micromechanism in the absence of hydrogen in all the studied steel grades, brittle decohesion mechanisms (carbide-matrix interface decohesion, CMD, and martensitic lath interface decohesion, MLD) were observed under internal hydrogen in all the studied grades. Intergranular fracture (IG) was also found in the case hardest and in the coarse grain steels when tested under the lowest displacement rates or frequencies, in which hydrogen accumulation in the process zone ahead of the notch tip is maximal. This fractographic analysis revealed the action of hydrogen-enhanced localized plasticity (HELP) mediated hydrogen-enhanced decohesion (HEDE) micromechanism, in which HELP took place first, providing enough hydrogen in the process zone to modify the local resistance, and eventually weakening the cohesion of internal interfaces (HEDE).