Entendendo a Fragilização por Hidrogênio: Causas, Efeitos e Prevenção

A fragilização por hidrogênio é o resultado da absorção de hidrogênio por metais suscetíveis, resultando na perda de ductilidade e redução da capacidade de carga. Tensão abaixo do limite de escoamento do material fragilizado pode resultar em trincas e falha frágil catastrófica. A fragilização por hidrogênio também é referida como trinca induzida por hidrogênio ou ataque por hidrogênio.

Em temperatura ambiente, átomos de hidrogênio podem ser absorvidos na rede metálica e difundir através dos grãos. O hidrogênio absorvido pode estar presente tanto na forma atômica quanto molecular combinada. Independentemente da forma, os átomos ou moléculas combinam para formar pequenas bolhas nos contornos de grão do metal. Estas bolhas atuam como concentradores de pressão, construindo pressão entre os grãos do metal. A pressão pode aumentar a níveis onde o metal tem ductilidade reduzida, causando a formação de trincas minúsculas dentro do material. A trinca é intergranular. Ou seja, a trinca cresce ao longo dos contornos de grão do metal. (Para mais sobre o assunto, veja Bolhas de Hidrogênio e Fragilização por Hidrogênio: Causas e Medidas Preventivas.)

Um exemplo de falha devido à fragilização por hidrogênio é mostrado na figura abaixo. A imagem da esquerda mostra uma visão macroscópica de um parafuso de aço cromado fraturado. A imagem da direita mostra uma imagem de microscópio eletrônico de varredura da superfície de fratura. A aparência facetada da superfície de fratura é indicativa de fratura intergranular. O parafuso tornou-se fragilizado durante o processo de cromação eletrolítica.

Parafuso fraturado e imagem de microscópio eletrônico de varredura da superfície de fratura.

Existem três fatores requeridos para falha devido à fragilização por hidrogênio:

1. Um material suscetível
2. Exposição a um ambiente que contém hidrogênio
3. A presença de tensão de tração devido a tensão residual e/ou aplicada

Aços de alta resistência carbono e baixas ligas são as ligas mais vulneráveis à fragilização por hidrogênio. Aços com resistência à tração última menor que 1000 MPa ou dureza menor que 30 HRC geralmente não são considerados suscetíveis à fragilização por hidrogênio. (Outro exemplo pode ser encontrado no artigo Questões de Fragilização por Hidrogênio com Zinco: Nova Orientação Discutida.)

O hidrogênio entra e difunde através de uma superfície metálica em temperaturas ambiente ou elevadas. Isso pode ocorrer durante várias operações de fabricação e montagem ou uso operacional — em qualquer lugar que o metal entre em contato com hidrogênio atômico ou molecular.

Processos que podem levar à fragilização por hidrogênio incluem fosfatização, decapagem ácida, eletrodeposição e soldagem a arco. Durante estes processos, há possibilidade de absorção de hidrogênio pelo material. Por exemplo, durante soldagem a arco, hidrogênio é liberado da umidade (por exemplo no revestimento dos eletrodos de soldagem; para minimizar isso, eletrodos de baixo hidrogênio especiais são usados para soldar aços de alta resistência).

Durante o uso, o hidrogênio pode ser introduzido no metal como resultado de corrosão, reações químicas do metal com ácidos, ou com outros produtos químicos — notavelmente sulfeto de hidrogênio em trinca por tensão de sulfeto.

Quanto à tensão para causar fratura, mesmo tensão residual dentro de um componente pode ser suficiente.

Passos que podem ser tomados para evitar fragilização por hidrogênio incluem reduzir exposição ao hidrogênio, bem como aquecimento após eletrodeposição e outros processamentos que levam à absorção de hidrogênio. O aquecimento permite que o hidrogênio difunda para fora do metal. Se aquecimento não é uma opção, então o uso de aços de menor resistência e redução da tensão residual e aplicada são formas possíveis de evitar fratura devido à fragilização por hidrogênio. Estas podem ser as melhores opções para circunstâncias que resultam em absorção de hidrogênio enquanto um componente está em serviço.

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O artigo e imagens apareceram anteriormente em https://www.imetllc.com/hydrogen-embrittlement-steel/. Reimpresso com permissão. Copyright Industrial Metallurgists, LLC.