Influence of the microstructural defects on hydrogen embrittlement in steels

Con el nombre de fragilización por hidrógeno (FPH) se describen los efectos nocivos del hidrógeno sobre las propiedades físicas y mecánicas de los materiales. A pesar de las intensas investigaciones, la fragilización por hidrogeno no esta aun completamente entendida. Sin embargo, se ha establecido que el efecto de atrapamiento por los defectos de la red, contribuye directamente a todos los mecanismos de fragilización. En este trabajo estudiamos los efectos de la variación de la microestructura sobre la FPH en un acero de bajo carbono (ASTM A516 G60) y un acero inoxidable austenitico (AISI 304), ambos de gran uso en medios hidrogenados. En el caso del acero al carbono, cambiamos la microestructura presente en las uniones soldadas de este material (estructura martensitica) por medio de un revenido a baja temperatura, 453 K, y a alta temperatura, 753 K. Evaluamos la modificación de las trampas para el hidrogeno (los defectos del material) mediante la técnica de la microimpresión de hidrogeno, la técnica de la permeación de hidrogeno y ensayos de fisuración. Los resultados mostraron que en el acero de bajo carbono, las interfases entre listones de martensita son los principales sitios de atrapamiento para el hidrogeno en la martensita sin revenir. Estos sitios van perdiendo su poder de atrapamiento a medida que aumenta la temperatura de revenido. Este hecho, visualizado mediante la técnica de la microimpresión de hidrogeno, coincide con el aumento de la difusividad de hidrogeno y la disminución de la FPH. En el revenido a baja temperatura, la disminución del poder de atrapamiento de las interfases entre listones fue atribuida al relevado de tensiones por reordenamiento de dislocaciones producido por el crecimiento de los carburos. Este hecho, puesto en evidencia a través de la técnica de la permeación de hidrogeno, permitió además obtener la cinética de precipitación de carburos. En cambio, para el revenido a alta temperatura, la reducción del atrapamiento fue atribuida a la disminución de la densidad de dislocaciones. En lo que respecta al acero inoxidable, la microestructura estudiada fueron uniones soldadas formadas por austenita y distintos contenidos de ferrita delta. Estudiamos la influencia de esta ultima fase sobre la distribución de hidrogeno en la microestructura por medio de la técnica de la microimpresión de hidrogeno. Evaluamos el danio causado por el hidrogeno a través de ensayos de fisuración y de tracción. La técnica de la microimpresión de hidrogeno puso en evidencia que las interfaces ferrita-austenita actúan como trampas para el hidrogeno. La presencia de ferrita hace que el material sea más susceptible frente al hidrogeno, a mayor cantidad de ferrita es mayor la FPH, pero fundamentalmente modifica la forma en que el hidrogeno dania al material: la austenita ya no se fractura fragilmente sino que lo hace de manera dúctil, acompañando la fractura frágil de la ferrita. Las técnicas empleadas en el presente trabajo demostraron, de manera clara y precisa, el rol fundamental que juegan las trampas en la FPH de los materiales.Hydrogen embrittlement (HE) is the deleterious effects of hydrogen on the physical and mechanical properties of materials. Despite intense investigation, hydrogen embrittlement is not completely understood yet. However, it has been established that the trapping effect by lattice defects, contributes directly to all embrittlement mechanisms. In this work the effects on the HE due to variation of the microstructure were studied on a low carbon steel (ASTM A516 G60) and an austenitic stainless steel (AISI 304), both of great use in hydrogenated environments. In the case of the low carbon steel, the microstructure presents in welded unions of this material (martensitic structure) was changed by means of tempering at low temperature, 453 K, and at high temperature, 723 K. The hydrogen traps modifications was evaluated by means the hydrogen microprint technique, hydrogen permeation test and hydrogen embrittlement tests. The results showed that in the low carbon steel, the laths interfaces of martensite are the main hydrogen trapping sites in the fresh-martensite. The trapping power of these sites decrease as the tempering temperature increases. This fact, visualised by means of the hydrogen microprint technique, is in coincidence with the increase of the hydrogen diffusivity and the decrease of the HE. In the low temperature tempering, the decrease in trapping power of the laths interfaces was attributed to stress relaxation by dislocation rearrangements produced by carbides precipitation. This fact, put in evidence through the hydrogen permeation tests, allowed also to obtain carbides precipitation kinetics. On the other hand, in the high temperature tempering, the reduction of the trapping was attributed to the decrease in the dislocations density. For the stainless steel, the microstructure tested were welded unions consisting of austenite with different contents of delta ferrite. The influence of this last phase on the hydrogen distribution in the microstructure was studied by means the hydrogen microprint technique. The damage caused by the hydrogen was evaluated through bending tests and tensile tests. The interfaces ferrite-austenite result as hydrogen traps, put in evidence by means the hydrogen microprint technique. The presence of ferrite increases the susceptibility to hydrogen, the more quantity of ferrite the more HE, but basically it modify the form in which the hydrogen damages the material: the austenite changes from its normal fragile fracture to ductile fracture, accompanying the ferrite fragile fracture. The techniques employed in this work demonstrated, in a clear and precise way, the role of traps in HE.Fil:Luppo, María Inés. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina