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Comprensione del trasporto dell’idrogeno nei metalli

Quando l’idrogeno è assorbito da acciai e altre leghe, esso riduce la loro duttilità e la loro capacità di sopportare un carico. Una serie di modelli computazionali promette di aiutare parecchie industrie nella valutazione dell’impatto dell’idrogeno sull’integrità strutturale di materiali e componenti.
Comprensione del trasporto dell’idrogeno nei metalli
A temperatura ambiente, gli atomi di idrogeno possono essere assorbiti nel reticolo metallico e si possono diffondere attraverso i suoi grani. L’idrogeno può essere accumulato in forma atomica o in forma molecolare. A prescindere dalla forma, atomi e molecole si combineranno per formare piccole bolle ai bordi tra i grani metallici. Queste bolle fanno aumentare la pressione fino a livelli in cui i metalli perdono la loro duttilità e si formano delle minuscole crepe.

La vulnerabilità dei materiali alla fragilizzazione da idrogeno dipende dalle caratteristiche della loro microstruttura e dalla presenza di difetti. Gli scienziati hanno avviato il progetto MULTIHY (Multiscale modelling of hydrogen embrittlement), finanziato dall’UE, per sviluppare strumenti per valutare il trasporto dell’idrogeno in leghe ad alta resistenza con una microstruttura complessa e per meglio comprendere la fragilizzazione da idrogeno.

Gli scienziati hanno collegato l’effetto di caratteristiche strutturali su microscala e persino nanoscala a fattori macroscopici di vulnerabilità alla fragilizzazione da idrogeno misurabili. Sono state utilizzate tecniche analitiche, test fisici e dati di utilizzo per sviluppare uno schema di modellazione multiscala del trasporto di ossigeno, dal livello atomistico fino a quello dei componenti.

Il team di MULTIHY ha scelto tre casi di studio industriali, che includono camere di combustione di un razzo vettore per satelliti, componenti della scocca delle automobili e cuscinetti di una turbina eolica offshore. La microstruttura dei materiali avanzati è stata analizzata in tutti e tre i casi di studio, e sono stati valutati la diffusione dell’idrogeno e i parametri di intrappolamento mediante esperimenti e modellazione atomistica.

Per garantire precisione senza un eccessivo carico computazionale, gli scienziati avevano bisogno di compensare e integrare le differenze spaziali e temporali tra modelli atomistici e modelli a elementi finiti (FE). Essi si sono basati su simulazioni cinetiche Monte Carlo per facilitare l’utilizzo dei risultati dei calcoli atomistici come parametri di input per i modelli basati su FE.

Lo schema di modellazione multiscala di MULTIHY aiuterà molte industrie a prendere decisioni informate relative ai materiali e alle metodologie di lavorazione che scelgono per i loro prodotti finali. I passi che potrebbero essere compiuti per ridurre la fragilizzazione da idrogeno includono diminuire l’esposizione all’idrogeno e il trattamento termico a bassa temperatura (cottura).

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Keywords

Idrogeno, leghe, duttilità, integrità strutturale, fragilizzazione da idrogeno