Infragilimento da idrogeno: il nemico invisibile degli acciai

Un acciaio ad alta resistenza, robusto e tenace, può rompersi di schianto a un carico che dovrebbe sopportare senza problemi, senza alcuna deformazione preliminare. Spesso la colpa è di un nemico invisibile e leggerissimo: atomi di idrogeno entrati nel metallo che ne hanno distrutto la duttilità dall’interno. È l’infragilimento da idrogeno, una delle cause più subdole di cedimento dei materiali metallici.

Vediamo da dove entra l’idrogeno, perché infragilisce il metallo, quali acciai sono più a rischio e come si previene il problema.

Da dove entra l’idrogeno

L’idrogeno che danneggia il metallo è quello atomico (H, non la molecola H₂), abbastanza piccolo da infilarsi tra gli atomi del reticolo cristallino e migrare al suo interno. Le sorgenti sono molte e spesso insospettabili: la corrosione stessa in ambiente acido (dove la reazione catodica libera idrogeno), i processi di decapaggio acido, la galvanica e altri trattamenti elettrolitici, la saldatura con umidità, la protezione catodica troppo spinta. In tutti questi casi parte dell’idrogeno generato sulla superficie, invece di ricombinarsi in bolle di gas e fuggire, viene assorbito e penetra nel metallo.

Perché l’idrogeno infragilisce

Una volta dentro, gli atomi di idrogeno diffondono nel reticolo e tendono a concentrarsi nei punti più sollecitati e nei difetti: bordi di grano, inclusioni, dislocazioni, apici delle microcricche. Lì l’idrogeno indebolisce i legami metallici e ostacola lo scorrimento plastico che normalmente assorbirebbe l’energia di una sollecitazione. Il risultato è una perdita drastica di duttilità e di tenacità: il metallo che era pieghevole diventa fragile e si frattura senza deformarsi, a carichi anche molto inferiori a quelli che reggerebbe in assenza di idrogeno.

2H⁺ + 2e⁻ → 2H_(ads) → H assorbito nel metallo  →  fragilità

Una caratteristica importante è che il cedimento è spesso ritardato: il componente non si rompe subito, ma dopo ore o giorni, perché serve tempo perché l’idrogeno diffonda e si concentri abbastanza nei punti critici sotto l’azione dello sforzo. È il fenomeno noto come «rottura ritardata», particolarmente temuto su bulloni e organi filettati ad alta resistenza.

Quali acciai sono più a rischio

Il rischio cresce con la resistenza meccanica del materiale. Gli acciai ad alta e altissima resistenza (in pratica quelli più duri, sopra una certa soglia di durezza) sono i più suscettibili: la loro microstruttura tollera poco la presenza di idrogeno. Gli acciai a bassa resistenza, più duttili, sopportano molto meglio. Esiste quindi un compromesso scomodo: proprio i materiali scelti per la loro elevata resistenza, come bulloni ad alta classe, molle, cavi precompressi e componenti temprati, sono i più vulnerabili all’infragilimento.

Come si previene

La prevenzione agisce su più fronti: limitare l’ingresso di idrogeno (scegliere processi di rivestimento a basso assorbimento, controllare il decapaggio, evitare protezioni catodiche troppo negative), eliminare l’idrogeno assorbito con il degasaggio termico subito dopo i trattamenti, e dove possibile scegliere materiali meno suscettibili o ridurne la durezza. Nelle saldature, l’uso di elettrodi a basso idrogeno e il controllo dell’umidità riducono l’idrogeno introdotto. La regola d’oro è non lasciare componenti ad alta resistenza carichi di idrogeno e sotto tensione, perché è la combinazione che porta alla rottura ritardata.

Perché conta nella pratica

L’infragilimento da idrogeno è temibile perché colpisce proprio i componenti su cui contiamo di più: bulloni ad alta resistenza, organi di sicurezza, parti strutturali temprate. Un bullone zincato senza degasaggio può rompersi giorni dopo il montaggio, senza preavviso. Per chi specifica trattamenti superficiali, sceglie classi di bulloneria o progetta componenti ad alta resistenza, conoscere il legame tra durezza, idrogeno e rottura ritardata è essenziale: significa prescrivere il degasaggio, controllare i processi di rivestimento e diffidare di soluzioni che caricano idrogeno in materiali duri. È una delle conoscenze che separano un capitolato corretto da uno che prepara un cedimento.

Domande frequenti

Che cos’è l’infragilimento da idrogeno?

È la perdita di duttilità e tenacità di un metallo dovuta all’ingresso di idrogeno atomico nel reticolo cristallino. L’idrogeno si concentra nei difetti e nelle zone sollecitate, indebolisce i legami e impedisce la deformazione plastica: il metallo diventa fragile e si frattura senza deformarsi, a carichi anche molto inferiori a quelli ammissibili. Spesso il cedimento è ritardato di ore o giorni.

Da dove entra l’idrogeno nel metallo?

Dall’idrogeno atomico generato sulla superficie in vari processi: la corrosione in ambiente acido (reazione catodica), il decapaggio acido, la galvanica e altri trattamenti elettrolitici, la saldatura con umidità, la protezione catodica troppo spinta. Parte di questo idrogeno, invece di ricombinarsi in bolle di gas e fuggire, viene assorbito e penetra nel reticolo, dove può diffondere e accumularsi.

Perché gli acciai ad alta resistenza sono i più a rischio?

Perché la loro microstruttura, dura e poco duttile, tollera molto male la presenza di idrogeno: anche piccole quantità ne riducono drasticamente la tenacità. Gli acciai a bassa resistenza, più duttili, sopportano meglio l’idrogeno. È un compromesso scomodo, perché proprio i materiali scelti per l’elevata resistenza, come bulloni di classe elevata, molle e parti temprate, sono i più vulnerabili.

Che cos’è la rottura ritardata?

È il cedimento fragile che avviene non subito, ma dopo ore o giorni dall’applicazione del carico. Serve infatti tempo perché l’idrogeno diffonda nel metallo e si concentri abbastanza nei punti critici sotto l’azione dello sforzo. È particolarmente temuta su bulloni e organi filettati ad alta resistenza, che possono rompersi inaspettatamente qualche tempo dopo il montaggio.

Come si previene l’infragilimento da idrogeno?

Limitando l’ingresso di idrogeno (processi di rivestimento a basso assorbimento, controllo del decapaggio, protezione catodica non eccessiva), eliminando l’idrogeno assorbito con un degasaggio termico subito dopo i trattamenti (per gli acciai tipicamente intorno ai 190-220°C per diverse ore), e scegliendo materiali meno duri dove possibile. Nelle saldature aiutano elettrodi a basso idrogeno e controllo dell’umidità.