The goal of this research is to study the effect of the cathodic polarization potential on hydrogen embrittlement behaviour of high strength steels, considering for a conservative approach also the presence of defects (residual stresses). In fact, it is well known that in sour environments and in specific cathodic protection conditions these materials, may suffer hydrogen embrittlement and their use, as reported in different international standards (DNV, ISO) is allowed only considering a minimum threshold for the cathodic potential. The studied material is a martensitic stainless steel type AISI 420 (quenched and tempered), is susceptible to hydrogen embrittlement. Constant deformation tests (three point bending) have been carried out on Bent-Beam specimens cathodically polarised in acetic solution, pH 5.5 at room temperature, without H2S. The stress level has been imposed in the elastic range, from 20% to 100% of the yield strength. In absence of residual stresses, for specimens prepared according to standard, threshold for the potential and stress level have been identified: hydrogen embrittlement occurs for stress equal to or higher than 60% of the material yield strength at potential of -0.90 V vs. Ag/AgCl. At nobler potentials as -0.60 and -0.70 V vs. Ag/AgCl the critical stress threshold is increased to the value of the yield strength. The presence of defects, as residual stresses, worsens significantly the behavior: critical stress threshold is lowered to 20% of the yield strength and time to failure is reduced; also a cathodic prepolarisation worsen the behavior, but the effect is less severe. The results suggest that prevention of hydrogen embrittlement can be achieved by means of cathodic protection, but the critical thresholds should be evaluated in more conservative way assuming that, in field applications, defects are probably present in the material.

Scopo di questa ricerca è studiare l’effetto del potenziale di polarizzazione catodica, considerando in via conservativa anche l’eventuale presenza di tensioni residue, sul comportamento di acciai a elevata resistenza meccanica nei confronti dell’infragilimento da idrogeno. Infatti è ben noto che tali materiali, specie in ambienti “sour” e in determinate condizioni di protezione catodica, possono essere suscettibili di infragilimento da idrogeno e il loro utilizzo, come riportato da varie normative internazionali (DNV, ISO), è consentito solo considerando anche un limite inferiore per il potenziale di polarizzazione. Il materiale oggetto di questo lavoro, cioè l’acciaio inossidabile martensitico AISI 420 C, è suscettibile all’infragilimento da idrogeno. La sperimentazione è stata condotta mediante prove a deformazione costante, in soluzione acetica (pH 5,5 a temperatura ambiente) senza solfuri e a diversi potenziali di polarizzazione catodica. Il livello di sforzo nei provini è stato mantenuto in campo elastico, dal 20% al 100% del carico di snervamento, per 720 ore. Per i provini preparati in accordo alla normativa sono state individuate soglie di potenziale e sforzo applicato per la prevenzione dell’infragilimento, che avviene per valori di sforzo superiori al 60% dello snervamento a potenziali di -0.9 V vs. Ag/AgCl. A potenziali più elevati come -0.60 e -0.70 V vs. Ag/AgCl lo sforzo di soglia aumenta fino al valore dello snervamento. In presenza di sforzi residui dovuti alla lavorazione meccanica lo sforzo di soglia applicato si riduce fino al 20% dello snervamento e il tempo a rottura è molto ridotto; anche una prepolarizzazione catodica peggiora il comportamento, anche se in misura meno severa. I risultati suggeriscono che la prevenzione dell’infragilimento da idrogeno può essere raggiunta mediante polarizzazione catodica, ma le soglie critiche devono essere stabilite in modo più conservativo di quelle previste dalle norme considerando che, nelle applicazioni reali, i difetti possono essere comunque presenti

Effetto della polarizzazione catodica sull’infragilimento da idrogeno di un acciaio inossidabile martensitico a elevata resistenza

FUMAGALLI, GABRIELE;BRUNELLA, MARIA FRANCESCA;BRENNA, ANDREA;LAZZARI, LUCIANO;BOLZONI, FABIO MARIA
2016-01-01

Abstract

Scopo di questa ricerca è studiare l’effetto del potenziale di polarizzazione catodica, considerando in via conservativa anche l’eventuale presenza di tensioni residue, sul comportamento di acciai a elevata resistenza meccanica nei confronti dell’infragilimento da idrogeno. Infatti è ben noto che tali materiali, specie in ambienti “sour” e in determinate condizioni di protezione catodica, possono essere suscettibili di infragilimento da idrogeno e il loro utilizzo, come riportato da varie normative internazionali (DNV, ISO), è consentito solo considerando anche un limite inferiore per il potenziale di polarizzazione. Il materiale oggetto di questo lavoro, cioè l’acciaio inossidabile martensitico AISI 420 C, è suscettibile all’infragilimento da idrogeno. La sperimentazione è stata condotta mediante prove a deformazione costante, in soluzione acetica (pH 5,5 a temperatura ambiente) senza solfuri e a diversi potenziali di polarizzazione catodica. Il livello di sforzo nei provini è stato mantenuto in campo elastico, dal 20% al 100% del carico di snervamento, per 720 ore. Per i provini preparati in accordo alla normativa sono state individuate soglie di potenziale e sforzo applicato per la prevenzione dell’infragilimento, che avviene per valori di sforzo superiori al 60% dello snervamento a potenziali di -0.9 V vs. Ag/AgCl. A potenziali più elevati come -0.60 e -0.70 V vs. Ag/AgCl lo sforzo di soglia aumenta fino al valore dello snervamento. In presenza di sforzi residui dovuti alla lavorazione meccanica lo sforzo di soglia applicato si riduce fino al 20% dello snervamento e il tempo a rottura è molto ridotto; anche una prepolarizzazione catodica peggiora il comportamento, anche se in misura meno severa. I risultati suggeriscono che la prevenzione dell’infragilimento da idrogeno può essere raggiunta mediante polarizzazione catodica, ma le soglie critiche devono essere stabilite in modo più conservativo di quelle previste dalle norme considerando che, nelle applicazioni reali, i difetti possono essere comunque presenti
The goal of this research is to study the effect of the cathodic polarization potential on hydrogen embrittlement behaviour of high strength steels, considering for a conservative approach also the presence of defects (residual stresses). In fact, it is well known that in sour environments and in specific cathodic protection conditions these materials, may suffer hydrogen embrittlement and their use, as reported in different international standards (DNV, ISO) is allowed only considering a minimum threshold for the cathodic potential. The studied material is a martensitic stainless steel type AISI 420 (quenched and tempered), is susceptible to hydrogen embrittlement. Constant deformation tests (three point bending) have been carried out on Bent-Beam specimens cathodically polarised in acetic solution, pH 5.5 at room temperature, without H2S. The stress level has been imposed in the elastic range, from 20% to 100% of the yield strength. In absence of residual stresses, for specimens prepared according to standard, threshold for the potential and stress level have been identified: hydrogen embrittlement occurs for stress equal to or higher than 60% of the material yield strength at potential of -0.90 V vs. Ag/AgCl. At nobler potentials as -0.60 and -0.70 V vs. Ag/AgCl the critical stress threshold is increased to the value of the yield strength. The presence of defects, as residual stresses, worsens significantly the behavior: critical stress threshold is lowered to 20% of the yield strength and time to failure is reduced; also a cathodic prepolarisation worsen the behavior, but the effect is less severe. The results suggest that prevention of hydrogen embrittlement can be achieved by means of cathodic protection, but the critical thresholds should be evaluated in more conservative way assuming that, in field applications, defects are probably present in the material.
hydrogen embrittlement, cathodic protection, martensitic stainless steel, stress corrosion cracking tests, electrochemical tests, residual stress.
Infragilimento da idrogeno, protezione catodica, acciai inossidabili martensitici, prove di corrosione sotto sforzo, prove elettrochimiche, tensioni residue.
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