L'infragilimento da idrogeno è una tipica modalità di rottura fragile dell'acciaio ad alta resistenza. Gli atomi di idrogeno liberi che penetrano nella matrice dell'acciaio si accumulano nei difetti interni, nei bordi dei grani e nelle regioni di concentrazione delle tensioni, provocando un forte aumento delle tensioni interne locali. Quando lo stress concentrato indotto dall'idrogeno- supera il limite di resistenza locale dell'acciaio, all'interno del materiale si formano microfessurazioni irreversibili. Dopo la formazione e l'esercizio dei bulloni, sotto l'effetto di accoppiamento dello stress residuo interno e dello stress di lavoro esterno, queste microfessure continuano a propagarsi e alla fine portano a un'improvvisa frattura fragile.
L’infragilimento da idrogeno è irreversibile. Può essere prevenuto solo attraverso il controllo dei processi e delle condizioni di lavoro anziché eliminarlo tramite il post-trattamento. Pertanto, una chiara comprensione dei fattori che inducono la frattura da infragilimento da idrogeno è essenziale per evitare sostanzialmente tali guasti. Le principali cause di infragilimento da idrogeno nei bulloni di acciaio legato includono la penetrazione di idrogeno durante il decapaggio, l'idrogeno residuo durante la fusione, l'assorbimento di idrogeno dagli ambienti di servizio e la frattura fragile ritardata indotta dall'idrogeno-.
1. Penetrazione di idrogeno durante i processi di decapaggio
Le procedure di pre-trattamento, tra cui decapaggio, fosfatazione, saponificazione ed galvanica, sono le principali fonti di intrusione di idrogeno durante la produzione dei bulloni. Tra questi processi, il decapaggio e la fosfatazione presentano il comportamento più significativo in termini di evoluzione e penetrazione dell'idrogeno. Durante il trattamento di fosfatazione, il mezzo acido forma numerose microcelle galvaniche tra le strutture di ferro e carbonio nell'acciaio. Sulla superficie del pezzo all'anodo si forma una densa pellicola di fosfato, mentre al catodo si verificano gravi reazioni di sviluppo di idrogeno, che generano un gran numero di atomi di idrogeno attivi.
Gli atomi di idrogeno appena generati presentano un volume ridotto e un’elevata attività, consentendo loro di penetrare facilmente nella superficie dell’acciaio e rimanere all’interno della matrice. La penetrazione dell'idrogeno di processo durante la produzione è la causa principale della frattura da infragilimento da idrogenobulloni in acciaio legato.
2. Rimozione incompleta dell'idrogeno durante la fusione
Durante la fusione dell'acciaio legato, tracce di idrogeno vengono introdotte dalle materie prime, dal gas del forno e dai mezzi di raffreddamento. Limitati dalla temperatura di fusione, dall’ambiente del forno, dai processi di degasaggio e dal controllo del processo, gli atomi di idrogeno nell’acciaio fuso non possono essere completamente rimossi, lasciando una certa quantità di idrogeno residuo nella matrice dell’acciaio.
L'idrogeno residuo riduce la forza legante dei bordi dei grani dell'acciaio e aumenta la fragilità strutturale. Durante il successivo trattamento termico, la deformazione a freddo e il carico di servizio, accelera l'innesco e la propagazione di microfessure e aumenta significativamente il rischio di frattura da infragilimento da idrogeno.
3. Assorbimento di idrogeno da ambienti di servizio esterni
Quando i bulloni vengono utilizzati in ambienti umidi, piovosi o corrosivi a lungo termine-, sulla superficie dei bulloni si verificano reazioni elettrochimiche innescate dall'umidità e dai mezzi corrosivi. Queste reazioni generano continuamente atomi di idrogeno attivo che penetrano nella matrice dei bulloni.
In ambienti piovosi, con elevata-umidità e con forte nebbia salina, i bulloni assorbono l'idrogeno a una velocità maggiore con un maggiore accumulo di idrogeno, con conseguente probabilità molto più elevata di frattura da infragilimento da idrogeno rispetto alle condizioni di lavoro a secco.
4. Frattura fragile ritardata indotta dall'idrogeno-
Questa è la modalità di guasto principale dell’infragilimento da idrogeno. L'idrogeno residuo libero all'interno della matrice del bullone si accumula continuamente nelle zone di concentrazione delle sollecitazioni sotto l'azione combinata della sollecitazione di precarico residua e del carico operativo alternato. L'arricchimento di idrogeno riduce notevolmente la resistenza alla frattura del materiale e favorisce la lenta propagazione delle microfessurazioni intrinseche, causando infine una frattura fragile ritardata senza evidenti sintomi di pre-rottura. Si tratta di una tipica modalità di guasto improvviso-a basso stress.
Misure di prevenzione dell'infragilimento da idrogeno
Infragilimento da idrogenobullonisi basa principalmente sulla prevenzione. Nella produzione e nell'applicazione effettive, le materie prime a bassa sensibilità all'-idrogeno- dovranno essere selezionate in base ai gradi di resistenza dei bulloni e alle condizioni di servizio. Processi chiave come il trattamento termico, il decapaggio, la fosfatazione e la galvanica dovrebbero essere ottimizzati, accompagnati da un rigoroso trattamento di deidrogenazione e da un controllo completo della qualità del processo-. Misure di prevenzione complete che riguardano la selezione delle materie prime, la produzione, il trattamento superficiale, l’assemblaggio e il funzionamento possono eliminare efficacemente i rischi di infragilimento da idrogeno.
