A fragilização por hidrogênio é um fenômeno que afeta aços de alta resistência, ligas de titânio e de alumínio, além de outros materiais de alta resistência. O hidrogênio, frequentemente gerado em processos como a decapagem ou deposição, invade a estrutura dos grãos do metal, tornando-o frágil e suscetível a falhas súbitas e catastróficas
O hidrogênio é o elemento em maior abundância no mundo, e muitas reações de acidificação e de oxidação com aços liberam hidrogênio em grandes quantidades.
Entre as causas mais comuns de fragilização por hidrogênio podem-se incluir condições atmosféricas específicas, a quebra de lubrificantes orgânicos, qualquer processo de fabricação e tratamentos térmicos. Outras influências são as condições de trabalho, uso de soldagem por arco, condições atmosféricas e operações de moagem em ambientes úmidos. As partes de materiais que são submetidas a tratamentos eletroquímicos de superfície são especialmente suscetíveis. A limpeza por ácidos (decapagem) e eletrodeposição com altas correntes são os métodos mais severos, seguidos pela deposição por eletrólise e os revestimentos de conversão[1].
A fragilização por hidrogênio ambiental é outra forma dessa condição. O hidrogênio, presente no ambiente, é introduzido na estrutura metálica quando o aço é colocado em serviço. Nesse caso, o hidrogênio pode ser originado por várias fontes externas, como um subproduto de corrosão generalizada ou de outro tipo de reação.
Efeitos
A interação do hidrogênio com os metais reduz a ductilidade e, muitas vezes, a resistência dos mesmos. O hidrogênio, em sua forma atômica, entra no metal e, por ser um átomo muito pequeno, se difunde rapidamente pela estrutura metálica, mesmo em temperaturas normais. Durante processos de fusão e de fabricação, assim como durante o período de serviço, os metais têm contato com o hidrogênio de várias maneiras e o absorvem. O hidrogênio absorvido pode sofrer reações irreversíveis com óxidos e carbetos presentes em alguns metais, alterando permanentemente sua microestrutura. Também pode ser recombinado em superfícies internas de diversos tipos de defeitos para formar hidrogênio molecular gasoso. Quando esta recombinação ocorre em regiões próximas à superfície externa do metal e a pressão de gás H2 resultante é suficientemente alta, podem ser formados blisters metálicos. Hidretos frágeis, que prejudicam as propriedades mecânicas dos metais, também são obtidos em alguns casos.
Há outro tipo de fragilização, considerada reversível, que pode ocorrer em metais submetidos à deformação, dependendo da presença de hidrogênio na estrutura cristalina. Sob determinadas condições, a falha do material pode ser adiada por longos períodos. Muitos mecanismos foram postulados para explicar o fenômeno de fragilização reversível. De acordo com algumas teorias, o hidrogênio influencia nos processos de deformação plástica dos metais, aumentando a tendência ao trincamento.
Testes de fragilização por hidrogênio são muito importantes e frequentes para as indústrias produtoras de aço usados no transporte de óleo e gás. Cabos, fixadores (Fig. 3) e dutos (oleodutos e gaseodutos) são alguns dos componentes mais testados, devido ao contato direto com meios agressivos e sour (nota do editor: ricos em H2S, um dos principais responsáveis pela formação de hidrogênio atômico). Muitas indústrias de tratamento térmico enviam seus produtos para serem testados em outros laboratórios. No entanto, surgiu uma tendência entre as empresas de adquirir equipamentos para testes de fragilização e realizá-los em seus próprios laboratórios, a fim de se ter a certeza de que as especificações das normas de segurança e qualidade sejam atingidas. A norma ASTM F519-13 corresponde ao Método Padrão de Teste para Avaliação de Fragilização Mecânica por Hidrogênio após Processos de Deposição/Revestimento em Ambientes de Serviço. O usuário final do componente metálico a ser comercializado pode exigir requisições mais específicas, dependendo da aplicação e do meio de utilização.
O teste é simples, feito em temperatura ambiente, podendo ser usados corpos de prova usinados ou dispositivos finalizados; o método permite a determinação da suscetibilidade do material à fragilização por hidrogênio. Aplica-se no material uma tensão mecânica equivalente a 75% do seu valor de escoamento, durante 200 horas e a temperatura ambiente. Como se pode notar, o teste descrito é relativamente simples e equipamentos como o ATS 2330 MAN garantem reprodutibilidade, precisão e resultados confiáveis para até 48 corpos de prova ensaiados por vez. A Fig. 1 mostra 12 corpos de prova do tipo ASTM F519 1a.1 na máquina de teste (3 arranjos, cada um com 4 corpos de prova). Outro tipo de corpo de prova que é aceito neste equipamento é o F519 1a.2, porém, seu posicionamento é dado na forma de 1 arranjo de 4 amostras. O corpo de prova típico usado para testar dispositivos fixadores é mostrado pela Fig. 2.
Algumas vantagens de se trabalhar com a ATS 2330 MAN são:
– O equipamento possui ampla variedade de padrões de construção, permitindo simular diversos tipos de ambientes de trabalho e usar vários acessórios; ao mesmo tempo, suas dimensões gerais são compactas;
– A operação do equipamento é feita lateralmente;
– O carregamento dos corpos de prova é central, levando a valores otimizados de resistência e deflexão mínima;
– Possui suportes do tipo bloco em V rugosos, para máximo contato linear knife-edge;
– Contém dispositivo rotacionável com knife-edges para quatro posições, feito de aço ferramenta de alta resistência e endurecido, projetado para ter fácil rotação e para substituir as pontas desgastadas;
– Montagem precisa do cabeçote de tração, proporcionando carregamento e nivelamento automático;
– Dispositivos para isolamento de vibrações duráveis, que previnem a formação de distúrbios/ruídos para outros equipamentos sensíveis.
Aumentando a Produtividade
O corpo de prova é submetido ao processo de deposição ou revestimento em questão e, depois, é testado. Caso os requisitos colocados pela norma sejam atingidos, todo o lote de componentes/peças é enviado para produção na fábrica. O teste de fragilização já é longo (tem duração de 200 horas) e, portanto, a empresa que possui o equipamento em seu próprio laboratório se encontra em vantagem, uma vez que terá acesso aos resultados mais rapidamente do que se o ensaio fosse realizado em outro lugar. Isso ajuda a diminuir o tempo de entrega dos produtos para o consumidor/usuário final.
Assim, ao trazer o equipamento de teste para sua própria empresa, o fornecedor diminui o tempo de entrega, aumenta a qualidade e tem mais controle sobre os próprios produtos. Ao se levar os corpos de prova para ensaios em outros laboratórios, não se tem mais o controle absoluto sobre os mesmos, ou seja, não se tem a certeza de que os mesmos estão sob as condições de armazenamento corretas, o que pode levá-los à falha prematura. Dessa forma, falsos resultados podem ser obtidos, gerando altos custos para a empresa.
Soluções internas estão disponíveis para fabricantes de componentes metálicos a preços razoáveis, com retorno fácil do investimento. Um equipamento apropriado para realização de testes pode ajudar a fornecer lucros que rapidamente cobrirão o seu valor, dependendo da frequência com que o fabricante utilizar a máquina.
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[1] Daniel H. Herring “The Heat Treat Doctor”, 2010 Wire Forming Technology International
