La fragilización por hidrógeno es una de las muchas formas de agrietamiento por corrosión bajo tensión. La fragilización por hidrógeno resulta de la acción combinada de una tensión de tracción aplicada y un entorno de hidrógeno corrosivo, ambas influencias son necesarias. En este caso, el agente corrosivo es el hidrógeno en su forma atómica (H en oposición a la forma molecular, H 2 ), que se difunde intersticialmente a través de la red cristalina.y concentraciones tan bajas como varias partes por millón pueden provocar agrietamiento. Aunque la fragilización de los materiales adopta muchas formas, la fragilización por hidrógeno en los aceros de alta resistencia tiene el efecto más devastador debido a la naturaleza catastrófica de las fracturas cuando ocurren. Fragilización por hidrógeno es el proceso por el cual el acero pierde su ductilidad y resistencia debido a las pequeñas grietas que se derivan de la presión interna de hidrógeno (H 2), que se forma en los límites de los granos. En el caso de los aceros, el hidrógeno se difunde a lo largo de los límites de los granos y se combina con el carbono para formar gas metano. El gas metano se acumula en pequeños huecos a lo largo de los límites de los granos, donde acumula enormes presiones que inician grietas y disminuyen la ductilidad del acero. Si el metal está sometido a una gran tensión de tracción, puede producirse una fractura por fragilidad .
Ver también: Dureza a la fractura
Es un proceso complejo que no se comprende completamente debido a la variedad y complejidad de los mecanismos que pueden conducir a la fragilidad. Se han propuesto varios mecanismos para explicar la fragilización por hidrógeno. Los mecanismos que se han propuesto para explicar la fragilización incluyen la formación de hidruros frágiles, la creación de huecos que pueden provocar burbujas y acumulación de presión dentro de un material. El hidrógeno se introduce en la superficie de un metal y los átomos de hidrógeno individuales se difunden a través de la estructura del metal. Debido a que la solubilidad del hidrógeno aumenta a temperaturas más altas, el aumento de la temperatura puede incrementar la difusión del hidrógeno.
Para que se produzca la fragilización por hidrógeno, se requiere una combinación de tres condiciones:
- la presencia y difusión de hidrógeno
- un material susceptible
- estrés
En las aleaciones de circonio , la fragilización por hidrógeno es causada por la hidruración de circonio. En las instalaciones de reactores nucleares, el término «fragilización por hidrógeno» generalmente se refiere a la fragilización de las aleaciones de circonio causada por la hidruración de circonio.
Referencia especial: Departamento de Energía de EE. UU., Ciencia de Materiales. DOE Fundamentals Handbook, Volumen 1 y 2. Enero de 1993.
Debilitamiento por hidrógeno de las aleaciones de circonio
El revestimiento evita que los productos de fisión radiactivos escapen de la matriz de combustible al refrigerante del reactor y lo contaminen. Hay varias causas fundamentales de fallas de combustible , que se han identificado en el pasado. En las primeras fechas de las operaciones de PWR y BWR, estas causas eran predominantemente defectos de fabricación o desgaste. Una de las posibles causas también es:
- Hidratación interna. La inclusión involuntaria de materiales que contienen hidrógeno dentro de una barra de combustible puede provocar la hidruración y, por lo tanto, la fragilización de la vaina del combustible. Las fuentes de hidrógeno fueron principalmente humedad residual o contaminación orgánica en pastillas / barras de combustible. Esta causa de falla se ha eliminado prácticamente mediante una fabricación mejorada.
- Agrietamiento retardado por hidruro (DHC). El agrietamiento retardado por hidruro es el inicio y la propagación de la grieta dependiente del tiempo a través de la fractura de hidruros que pueden formarse antes de la punta de la grieta. Este tipo de falla puede iniciarse por grietas largas en la superficie exterior del revestimiento, que pueden propagarse en una dirección axial / radial. Este mecanismo de falla puede limitar potencialmente la operación de quemado alto.
El agente agresivo a este respecto es el agua del circuito primario, a una temperatura de unos 300 ° C.Esta oxida el circonio según la reacción:
Zr + 2H 2 O → ZrO 2 + 2H 2
resultando en la formación de óxido sólido en la superficie del metal.
Parte del hidrógeno producido por la corrosión del circonio en agua se combina con el circonio para formar una fase separada de plaquetas de hidruro de circonio (ZrH1.5). El hidrógeno migra bajo el efecto del gradiente térmico para acumularse en las regiones menos calientes, formando hidruros que pueden causar fragilidad en el revestimiento, a medida que el combustible se enfría. Luego, el metal se vuelve quebradizo (la ductilidad disminuye) y se fractura fácilmente. Las grietas comienzan a formarse en las plaquetas de hidruro de circonio y se propagan a través del metal.
La fragilización por hidrógeno también es de gran importancia para la oxidación con vapor a alta temperatura de las aleaciones de circonio .
- Departamento de Energía de EE. UU., Ciencia de Materiales. DOE Fundamentals Handbook, Volumen 1 y 2. Enero de 1993.
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