ALCENIR PABLO COSTA
ANDERSON CLEYTON CANALLE
JULIANA RAFAELE DUBIELA
FRAGILIZAÇÃO POR HIDROGÊNIO
Trabalho apresentado como requisito parcial
para aprovação na disciplina de Seleção de
Materiais Metálicos, do Departamento de
Engenharia Mecânica , Setor de Tecnologia , da
Universidade Federal do Paraná.
CURITIBA
2010
1. DEFINIÇÃO
A fragilização pelo hidrogênio é um processo de deterioração caracterizado pela
nucleação e propagação de trincas nos materiais. Isso se deve à perda das propriedades
mecânicas do material, diminuição da ductilidade e o que causa as trincas e rupturas
mesmo com tensões aplicadas abaixo da tensão de ruptura do material.
Fragilização por hidrogênio é um processo de fratura em função do tempo provocada
pela absorção e difusão de átomos de hidrogênio em um metal, o que resulta em uma perda
de ductilidade e resistência à tração. O hidrogênio se introduz em materiais metálicos
dissolvendo-se no estado atômico. Durante sua permeação, por difusão, os átomos de
hidrogênio tendem a se concentrar em diversos tipos de imperfeições cristalinas
(discordâncias, vacâncias, etc.), bem como em imperfeições na micro-estrutura (contornos
de grãos, interfaces de inclusões e de precipitados puros, etc.) e ainda em outras
imperfeições que serão criadas pelo próprio hidrogênio absorvido. No curso da absorção,
difusão e concentração do hidrogênio atômico (H), o retículo cristalino e outros defeitos
serão dilatados. Em determinadas condições, átomos de hidrogênio se combinam nas
imperfeições passando para a forma molecular (H2), com conseqüente aumento de volume,
provocando fissuras e trincas irreversíveis.
Substância causadora de corrosão, o hidrogênio pode se incorporar ao aço ainda na
fase de fabricação de equipamentos industriais. Posteriormente instaladas em
petroquímicas ou refinarias, as peças sofrem novo ataque do elemento e começam a
desenvolver processo de corrosão precoce.
Pode se classificar a fragilização por hidrogênio como sendo de dois tipos. O
primeiro conhecido como a fragilização de hidrogênio interna (internal hydrogen
embrittlement), ocorre quando o hidrogênio entra em um metal fundido que se torna uma
solução supersaturada em hidrogênio imediatamente após a solidificação. O segundo tipo,
fragilização por hidrogênio circundante, (environmental hydrogen embrittlement), se deve à
absorção de hidrogênio por metais sólidos. Isso pode ocorrer durante a elevação da
temperatura e tratamentos térmicos em serviço durante galvanoplastia, contato com
produtos químicos de manutenção, as reações de proteção à corrosão, catódica e operando
em hidrogênio de alta pressão. Na ausência de tensão residual ou de carga
externa, fragilização por hidrogênio circundante se manifesta sob diversas formas, tais como
bolhas, fraturas internas, formação de hidretos e redução de ductilidade. Com uma tensão
de tração ou a concentradores de tensão, que ultrapassem um determinado limite,
hidrogênio atômico interage com o metal induzindo crescimento de fraturas levando a falha
do componente.
2. MATERIAIS
A Fragilização por hidrogênio ocorre nos aços carbono e, mais particularmente, em
aços de baixa liga, de alta resistência à tração, bem como em aços inoxidáveis
martensíticos e ferríticos além de vários outros metais que formam hidretos. O hidrogênio
atômico pode ser formado pela corrosão do próprio metal ou pela corrosão da base em
contato direto com a estrutura, como por exemplo, rebites de aço em contato com metais
leves tais como alumínio e magnésio, ou em aços com espessas camadas de depósitos de
zinco, devido à corrosão anódica da camada.
A solubilidade do hidrogênio na ferrita é baixa, mas nos contornos há espaço
interatômico devido à incompatibilidade entre as fases, que permite a inclusão de tais
átomos na matriz ferrítica. O hidrogênio reduz a tenacidade do aço sem previamente
ocasionar danos internos devido à aplicação de tensões. O aumento da fragilização com o
aumento da dureza do aço faz com que o percentual de deformação diminua, aumentando
a concentração de hidrogênio, e conseqüentemente, aumentando as tensões triaxiais.
A ordem de resistência quanto à fragilização por hidrogênio fica:
Martensita<bainita superior<perlita<bainita inferior<martensita temperada.
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As principais causas do aparecimento de hidrogênio podem ser:
Processo de fabricação;
Processos eletroquímicos tais como: decapagem ácida, corrosão e galvanização;
Decomposição da umidade e água de cristalização contida em alguns tipos de
revestimento de eletrodo que gera hidrogênio atômico no processo de soldagem por
eletrodo revestido;
Reações de corrosão que liberam hidrogênio como a seguinte: Fe = H2FeS + H2
observada no processamento de petróleo contendo enxofre;
Reações catódicas em estruturas protegidas catodicamente;
Ação de gases ricos em hidrogênio.
2. APLICAÇÕES
2.1 PARAFUSOS
A fragilização por hidrogênio é associada a fixadores com dureza superior a 30 HRC
e produzidos com aço carbono ou aço liga. Seu efeito pode causar diminuição da
ductilidade, trincas ou rupturas nos fixadores, ainda que aplicados sob tensões bem abaixo
de suas resistências ao escoamento.
A absorção do hidrogênio livre do banho eletrolítico, ou de qualquer outra fonte, pode
provocar a fragilidade do material. A decapagem ácida e a eletrodeposição de zinco estão
entre os tratamentos superficiais mais comuns que causam a hidrogenização. Isto ocorre
porque o hidrogênio atômico se difunde nos contornos dos grãos e migra para os pontos de
maiores concentrações de tensões quando o fixador é apertado, aumentando a pressão até
que a resistência do metal base seja excedida, e em pouco tempo ocorrem rupturas na
superfície.
O hidrogênio se move e penetra rapidamente nas novas rupturas. Este ciclo de
pressão-ruptura-penetração continua até o fixador romper-se, o que geralmente ocorre
horas após a primeira tensão aplicada. Para neutralizar a fragilização por hidrogênio, os
fixadores devem passar por um processo de desidrogenização. Não é possível prever
exatamente o tempo e a temperatura deste processo, que pode variar de 3 a 24 horas a
temperaturas próximas a 200º C, considerando o tipo e o tamanho do fixador, suas
dimensões, propriedades mecânicas, processos de limpeza, espessura da camada
depositada e processo utilizado no tratamento superficial por eletrodeposição.
De modo geral, recomenda-se que parafusos com durezas de até 40 HRC tenham
permanência mínima de 8 horas a temperaturas próximas de 200º C, e que este processo
seja efetuado em, no máximo, 1 hora após o tratamento superficial. A fragilidade por
hidrogênio ocorre especialmente em níveis de resistência mais elevados, onde se situam os
parafusos de alta resistência mecânica. Uma das alternativas para evitar a fragilização por
hidrogênio em parafusos de alta resistência é utilizar um processo de tratamento superficial
que não tenha oferta de hidrogênio, como por exemplo, um organometálico.
2.2 INDÚSTRIA PETROQUÍMICA
Nas indústrias petroquímicas e nas refinarias, são realizados vários investimentos
em tecnologia para combater a fragilização por hidrogênio. Nas indústrias petroquímicas e
químicas, a fragilização por hidrogênio ocorre principalmente nos aços de que são
constituídas as tubulações em meios líquidos ou gasosos e onde acontecem reações
químicas que liberam hidrogênio, enquanto que nas refinarias, enquanto que nas refinarias,
ocorre no craqueamento do petróleo.
3. DESAFIOS
Um dos grandes desafios na área da fragilização por hidrogênio é a demora no
monitoramento da quantidade de hidrogênio no material. O tempo atual de monitoramento é
de aproximadamente 30h, não havendo sempre tempo para acionar medidas de controle
antes que ocorram danos no material.
Um grupo de pesquisadores da Unicamp, formado pelos pesquisadores Margarita Ballester,
José Roberto Rodrigues e Célia Marina Freire, desenvolve atualmente um sistema que
permite o monitoramento on-line da permeação do hidrogênio no material. Resultados de
testes em laboratório mostram um tempo de resposta de 30 a 90 mim, variando de acordo
com a espessura do material.