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    Tesis

    Efecto de las tensiones y la deformación plástica en la difusión de hidrógeno en un acero API 5L X60

    2015



    Tesista Patricia CASTAÑO RIVERA
    Ingeniera en Materiales - Universidad de Antioquia - Colombia
    Doctora en Ciencia y Tecnología, Mención Materiales - Instituto Sabato UNSAM/CNEA - Argentina
    Directores Dr. Pablo BRUZZONI.  CNEA, UNSAM - Argentina
    Lugar de realizaciónGerencia Materiales - Centro Atómico Constituyentes - CNEA - Argentina
    Fecha Defensa 28/05/2015
    Jurado Dr. Juan Ramón COLLET LACOSTE.  CNEA - Argentina
    Dr. Rodolfo PÉREZ.  CNEA, UNSAM, CONICET - Argentina
    Ing. Teresa PÉREZ.  Tenaris Siderca, UNSAM - Argentina
    Código IS/TD 90/15

    Título completo

    Efecto de las tensiones y la deformación plástica en la difusión de hidrógeno en un acero API 5L X60

    Resumen

    El estudio de la fragilización de los aceros por efecto del hidrógeno (H) ha sido desarrollado considerablemente por diferentes autores. A partir de esto, se han postulado diferentes mecanismos que pretenden explicar el fenómeno, pero no existe uno que sea definitivo. En la actualidad, el estudio de este tema es de interés porque se pretenden encontrar respuestas a los conceptos no resueltos y porque con el auge de los combustibles base H es necesario encontrar los materiales adecuados para su almacenamiento y transporte.
    En esta tesis se estudió la difusión de H en un acero API 5L X60 en la condición de entrega (CE), correspondiente a un material templado y revenido, y además deformado plásticamente por laminación en frío (LF), en diferentes grados de reducción de espesor entre el 2% al 75%. Este estudio se realizó empleando la técnica de permeación de H con detección electroquímica con carga gaseosa, a 30°C, 50°C y 70°C. También se estudió experimentalmente el efecto de tensiones externas de tracción, en la difusión del H en este material en la condición CE. La magnitud de las tensiones está por debajo de la tensión de fluencia del material. Para esto fue necesario el diseño y construcción de un equipo adecuado. Se planteó un método de resolución de la ecuación diferencial de difusión de un soluto como es el H en un material con trampas y a partir de éste se determinaron las energías y densidades de los sitios que actúan como trampas. Por último se calcularon espectros de desorción térmica (TDS), que deberían presentarse en el material de estudio tanto en la condición CE como LF, asumiendo que se cumple el equilibrio local.
    Como resultados se obtuvo que el acero API 5L X60 contiene trampas débiles y fuertes, tanto en la condición CE como LF. La energía de unión crítica (Eb,crít) para definirlas es de 40 kJ/mol, es decir, las trampas débiles tienen una energía Eb< 40 kJ/mol, mientras que las trampas fuertes tienen una energía Eb > 40 kJ/mol. Las trampas débiles se asociaron principalmente a bordes de grano, dislocaciones e interfaces entre las partículas de cementita y la matriz ferrítica. Las trampas fuertes se asociaron principalmente a vacancias, agregados de vacancias y micro cavidades. La deformación plástica disminuyó el coeficiente de difusión aparente (Dap) e incrementó la densidad de sitios trampa asociados a las dislocaciones y a las vacancias. Las tensiones elásticas de tracción externas aumentan reversiblemente la solubilidad del H en el acero API 5L X6O en la condición CE, pero no el coeficiente Dap. Finalmente se demostró teóricamente que la técnica TDS no revela la existencia de los dos tipos de trampa en este material.
    Palabras Clave: hidrógeno, aceros, difusión, trampas, tensiones de tracción.

    Complete Title

    Effect of stresses and plastic deformation on hydrogen diffusion in an API 5L X60 steel

    Abstract

    The study about embrittlement of steels by hydrogen (H) effect has been developed by different authors. From this, different mechanisms have been proposed that attempt to explain the phenomenon, but there is not one that is final. At present, the study of this topic is of interest because it is intended find answers to the unsolved concepts and because of the boom of hydrogen fuel is necessary to find suitable materials for its storage and transportation.
    In this thesis the diffusion of H was studied in an API 5L X60 steel in the as received condition (AR), corresponding to a quenched and annealing material, and also plastically deformed by cold rolling (CR), in different degrees of reduction thickness between 2% to 75%. This study was conducted using the H permeation technique with electrochemical detection with gaseous charge, to 30 °C, 50 °C and 70 °C. Also, was experimentally studied the effect of external tensile stresses in the diffusion of H in this material in the AR condition. The magnitude of the stresses is below the yield stress of the material. This required the design and construction of a suitable equipment. A method for solving the differential equation of diffusion of a solute as the H in a material with traps was raised and from this the energies and densities of sites that act as traps were determined. Finally thermal desorption spectra (TDS), which should be presented in the study material both in the AR as CR condition were calculated, assuming the local equilibrium.
    As results are obtained that steel API 5L X60 has strong and weak traps, both in the AR as CR condition. A critical binding energy (Eb,crit) was defined in 40 kJ/mol, that is, weak traps have an energy Eb< 40 kJ/mol, while strong traps have an energy Eb > 40 kJ/mol. Weak traps were mainly associated with grain boundaries, dislocations, and the interfaces between cementite particles and the ferrite matrix. Strong traps were mainly associated with vacancies, vacancy aggregates and micro cavities. Plastic deformation decreased apparent diffusion coefficient (Dap) and increased the density of trap sites associated with dislocations and vacancies. External elastic tensile stresses increase reversibly the solubility of H in API 5L X6O steel AR, but not affect the Dap coefficient. Finally was theoretically demonstrated that TDS technique does not reveal the existence of two trap types in this material.
    Keywords: hydrogen, steels, diffusion, traps, tensile stresses.

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