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Acero de alta resistencia ahora más resistente al hidrógeno

Un equipo de investigadores ha aprovechado una serie de características que no suelen tenerse en cuenta en el diseño de estructuras de acero fiables y ligeras y las ha convertido en un mecanismo que aumenta la resistencia del metal a las grietas provocadas por el hidrógeno.

Tecnologías industriales

El hidrógeno, uno de los átomos más abundantes y ligeros de la atmósfera, aumenta la fragilidad del metal cuando se introduce en aleaciones de alta resistencia como el acero. Este fenómeno, denominado fragilización por hidrógeno, provoca un deterioro de las propiedades del material trabajado, pues reduce la ductilidad del metal y aumenta su debilidad, lo que da lugar a grietas. Si se tiene en cuenta que el acero supone el 90 % del mercado de aleaciones de metal, una mejora incluso pequeña de sus propiedades podría ofrecer resultados de gran calado. Cuanto más resistente es el metal, mayor es su susceptibilidad a la fragilización por hidrógeno. Para lograr que este inconveniente se torne en ventaja, investigadores del Max-Planck-Institut für Eisenforschung (Alemania) han desarrollado una estrategia en apariencia contradictoria que aprovecha la heterogeneidad química de la microestructura metálica para aumentar la resistencia a las grietas e inhibir su crecimiento. Gracias al apoyo del proyecto financiado con fondos europeos SHINE, han convertido la característica que normalmente se trata de evitar debido a sus efectos perjudiciales sobre la tolerancia a daños del acero en un mecanismo que aumenta la resistencia intrínseca del metal a la fragilización por hidrógeno. Los resultados de su investigación se han publicado en la revista «Nature Materials».

Los secretos de las zonas intermedias

El equipo empleó su estrategia en un acero ligero de alta resistencia con manganeso y generó una gran dispersión de zonas ricas en este elemento en el interior de la microestructura del material. «Las variaciones locales en la composición, diseñadas con detenimiento, sirven para aumentar la resistencia a grietas de forma local mediante la creación de zonas intermedias que frenan las microgrietas provocadas por hidrógeno que de otro modo se propagarían en el interior o a lo largo de las fases o interfases afectadas por el hidrógeno», explican los autores en el artículo. Gracias a este método se multiplica por dos la resistencia a la fragilización por hidrógeno sin perjuicio para la resistencia o la ductilidad del material. «La estrategia destinada a aprovechar las heterogeneidades químicas, en lugar de evitarlas, amplía las posibilidades de modificar la microestructura mediante procesos termomecánicos avanzados», se indica en el informe. Para lograr estos resultados, los investigadores emplearon CALPHAD (Computer Coupling of Phase Diagrams and Thermochemistry), un método de fase con el que predecir propiedades termodinámicas, cinéticas y otras propiedades de sistemas de materiales con múltiples componentes. Gracias a CALPHAD, su diseño de la heterogeneidad del manganeso en el interior de la fase de austenita provocó la aparición de una alta densidad de regiones intermedias de manganeso repartidas por toda la muestra. «Durante la deformación de la aleación, la transformación dinámica de austenita blanda a martensita dura se bloquea en el interior de estas regiones intermedias por la mayor estabilidad mecánica que implica un contenido mayor [de manganeso] en la zona», afirman los autores. «Como resultado, la microestructura evoluciona hacia una mayor dispersión de islas más blandas dentro de la matriz dura, lo cual hace que las microgrietas provocadas por [hidrógeno] se mitiguen y desarrollen a menor velocidad». El principio termodinámico aprovechado por los investigadores para desarrollar microestructuras con un grado específico de heterogeneidad implica un desajuste cinético elevado entre la transformación de fase y la difusión de solutos que se suele producir en las aleaciones de acero. El método puede, por tanto, utilizarse en muchos aceros distintos de alto rendimiento que contienen austenita metaestable. También puede ampliarse fácilmente a procesos industriales establecidos. La estrategia ideada por los miembros de SHINE (Seeing hydrogen in matter) permitirá conocer mejor otras técnicas avanzadas de procesamiento de metales como la pulvimetalurgia y la fabricación por adición. El proyecto, de 5 años de duración, finalizará en enero de 2023. Para más información, consulte: Página web del proyecto SHINE

Palabras clave

SHINE, acero, hidrógeno, metal, fragilización por hidrógeno, manganeso, resistencia a grietas

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