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1 INTRODUCCIN

El agrietamiento inducido por hidrgeno (HICpor sus siglasen Ingls) o agrietamiento en fro en soldaduras por fusinde aceros ferrticos representa el problema tecnolgico ms

comunmente encontrado durante la fabricacin deestructuras soldadas. En vista de su ocurrencia y de la grancantidad de prdidas que se han presentado por estefenmeno, es un tema que se ha desarrollado ampliamentetanto en el mbito de la investigacin como a niveltecnolgico y ha influenciado significativamente eldesarrollo de los aceros estructurales a lo largo de la historia.

No obstante lo anterior, todava en nuestro medio se denotauna falta de claridad en la comprensin del fenmeno del

HIC,lo cual se refleja en prdidas econmicas en la industria

de las construcciones soldadas y/o en la obtencin deproductos no confiables. El objetivo de este trabajo espresentar una explicacin conceptual sobre el mecanismo denucleacin y crecimiento de las grietas inducidas porhidrgeno en soldaduras de acero, lo cual se abordar en esta

primera parte del trabajo, y tratar las variables que tienen

influencia en el fenmeno para que los ingenieros tenganherramientas que los ayuden a desarrollar procedimientos desoldadura adecuados para la produccin de estructurasmetlicas econmicas, confiables y seguras para losusuarios, tema que se tratar en la segunda parte de estetrabajo. Despus de una comprensin conceptual sobre elmecanismo del HIC el ingeniero puede entender, aplicar ycontrolar ms fcilmente los diversos mtodos tecnolgicosque se emplean mundialmente para evitar el HIC. Se esperaque la informacin presentada se constituya en un punto de

EL AGRIETAMIENTO INDUCIDO POR

HIDRGENO EN SOLDADURAS DE ACERO

JORGE ENRIQUE GIRALDODepartamento de Ingeniera Mecnica, Facultad de Minas, Universidad Nacional de Colombia, Medelln

CSAR AUGUSTO CHAVESDepartamento de Ingeniera Mecnica, Facultad de Minas, Universidad Nacional de Colombia, Medelln

Recibido para revisin 22 de Septiembre de 2000, aceptado 21 de Agosto de 2001, versin final recibida 21 de Enero de 2002

RESUMEN: El agrietamiento inducido o asistido por hidrgeno (HIC) en soldaduras por fusin de aceros ferrticos sepresenta siempre y cuando existan simultneamente los siguientes factores: un nivel crtico de concentracin de hidrgeno,un nivel crtico de esfuerzos de traccin y una microestructura susceptible, normalmente martensita. El mecanismo denucleacin y crecimiento de este tipo de grietas se explica por el efecto fragilizante que tiene el hidrgeno en el acero, por

su alta rata de difusin y por la existencia de zonas con esfuerzos triaxiales mximos en el frente de una entalla oconcentrador de esfuerzos. La ubicacin de estas grietas, es decir si se presentan en el metal fundido o en la zona afectadatrmicamente (ZAT), se explica a travs de las diferencias que presenta el acero en estado austentico (estructura cbica decara centrada) y en estado ferrtico (cbico de cuerpo centrado) en cuanto a la solubilidad y difusividad de hidrgenoatmico, para lo cual la templabilidad relativa entre el metal base y el metal fundido se convierten en los factoresfundamentales para poder predecir su localizacin en uniones soldadas.

PALABRAS CLAVES:Agrietamiento inducido por hidrgeno (HIC), zona afectada trmicamente (ZAT), fragilizacin.

ABSTRACT: Hydrogen induced or assisted cracking (HIC) in fusion welds on ferritic steels is associated with thecombined effects of the following variables: presence of a critical concentration of hydrogen, a critical level of tensilestresses and a susceptible microstructure, usually martensite. Incubation and growth mechanism for this kind of cracking isexplained by the hydrogen embrittlement of steels, the very high diffusion rate of hydrogen into the steel and the existenceof a maximun triaxial stress state in front of a notch or stress increaser. The location of these cracks, in the weld metal orin the heat affected zone (HAZ), is explained by the differences on atomic hydrogen solubility and diffusivity betweenaustenitic steel (face-centered cubic) and ferritic steel (body-centered cubic); the relative hardenability among parent metal

and weld metal is the basis for a correct prediction of theHIC location in welded joints.

KEYWORDS: Hydrogen induced cracking (HIC), heat affected zone (HAZ), embrittlement.

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partida para que los ingenieros de soldadura adquieran unmayor conocimiento sobre el agrietamiento en fro para quedicho problema se trate en nuestro medio de una manera msracional lo cual, muy seguramente, disminuir la aparicinde estas fallas, mxime ahora que se utilizan aceros

estructurales de ms alta resistencia, pero ms susceptibles alagrietamiento en fro.

2 DEFINICIN DEL PROBLEMA

El agrietamiento inducido o asistido por hidrgeno tambinse conoce con los nombres de agrietamiento en fro,agrietamiento retardado o agrietamiento debajo del cordn.Este tipo de grietas ocurren a menudo algn tiempo despusde que se completa la soldadura, sin embargo los factoresque generan el problema provienen de la etapa de

fabricacin dependiendo del procedimiento de soldadura quese utilice. El HIC en elementos soldados de acero estasociado con la existencia simultnea de los siguientes tresfactores: (1) presencia de hidrgeno, (2) esfuerzos detraccin y (3) una microestructura susceptible, normalmentemartensita; un cuarto factor mencionado con frecuencia es latemperatura de formacin la cual est por debajo de los200C (Interrante and Stout, 1964).

El que este fenmeno de falla est ntimamenterelacionado con la presencia de un cierto nivel deconcentracin de hidrgeno no debe resultar extrao debido

a que este elemento tiene una potente influencia fragilizadoraen el acero tal como se ha demostrado por la experiencia ylas numerosas investigaciones que se han efectuado alrespecto hace ms de un siglo. La presencia de hidrgeno ensolucin supersaturada en el acero est asociada con lafragilizacin de la ferrita y de la martensita; la fragilizacinde la ferrita es la causante de la formacin de ojos de

pescado durante los ensayos de traccin cuasiestticos ocon las sombras blancas en la aplicacin de cargascclicas; la fragilizacin de la martensita es el fundamentodel agrietamiento en fro de las soldaduras.

3 CRECIMIENTO DE GRIETAS EN FRO3.1 El hidrgeno en el hierro y el aceroEl hidrgeno atmico puede ser introducido en los aceros devarias maneras, como por ejemplo en el proceso detratamientos superficiales, tales como decapados con cidoso electroplateado, durante un tratamiento trmico, durante lasoldadura, etc. En el caso de la soldadura, el hidrgeno seintroduce ya que el arco elctrico es capaz de disociar elhidrgeno gaseoso (H2) o los compuestos basados en

hidrgeno (como el agua o el vapor de agua) que puedanestar presentes en la atmsfera o en los fundentes de losconsumibles de soldadura; la disociacin de estoscompuestos en hidrgeno atmico facilita que el metalfundido absorba cierta cantidad de este elemento de una

manera proporcional a su concentracin en la atmsfera delarco (Interrante and Stout, 1964). La rpida rata de difusinde los tomos de hidrgeno en la matriz de hierro alfa(cbico de cuerpo centrado) a temperatura ambiente seexplica por la diferencia en el tamao atmico de estoselementos: el dimetro atmico del hidrgeno es 1mientras el del hierro es de 2,58 (Linnert, 1994). Loanterior implica que el hidrgeno entra en solucin slidaintersticial en el hierro, tal como lo hacen el nitrgeno y elcarbono (con dimetros de 1,4 y 1,54, respectivamente),

pero debido a su tamao relativo a los espacios intersticialesde la celda y, por consiguiente, a la poca deformacin queinduce, el movimiento del hidrgeno dentro de la red

cristalina se vuelve ms sencillo que el presentado por losdems elementos. La fuerza impulsora para la difusin delhidrgeno en el acero puede ser debida fundamentalmente aun gradiente de composicin de hidrgeno, un estado deesfuerzos no uniforme o una combinacin de ambos.

El agrietamiento retardado puede ocurrir en un ampliointervalo de esfuerzos aplicados (Troiano, 1960) y, a partirde los datos obtenidos de pruebas de laboratorio con cargassostenidas, se puede afirmar que el comportamiento deaceros fragilizados con hidrgeno depende del nivel deesfuerzos, del tiempo y de la temperatura como se ilustra en

la Figura 1.

0

500

1000

1500

2000

Tiempo para la fractura (Log h)

Esfuerzoaplicado(MPa)

Sin Hidrgeno Con Hidrgeno

Figura 1. Curva de agrietamiento inducido por hidrgeno

(agrietamiento retardado) o curva de fatiga esttica.

Para un nivel de concentracin de hidrgeno existe unesfuerzo crtico superior por encima del cual ocurre la fallasin demora en el tiempo; para niveles de esfuerzos pordebajo de un esfuerzo crtico inferior el hidrgeno es inocuo

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y la falla no ocurre; en niveles de esfuerzos intermedios, lafalla ocurre despus de cierto tiempo el cual se hace mscorto para mayores esfuerzos, razn por la cual se conocecomo agrietamiento retardado. El relativo corto tiempo deincubacin de este tipo de grietas y el intervalo de

temperaturas en el cual se ha observado el fenmeno defragilizacin, sugieren que el tomo de hidrgeno es elresponsable por ser el nico elemento intersticial cuya ratade difusin en el acero tiene un valor suficientemente alto

para explicar este tipo de falla retardada. Si el hidrgeno esremovido del material por cualquier medio, se restablece laductilidad original del material y desaparecen los efectosfragilizantes. Para resumir, entonces, el agrietamientoinducido por hidrgeno se presenta despus de que elhidrgeno viaje por difusin a travs del acero y se acumuleen un lugar con un estado de esfuerzos determinado hastallegar a un nivel de concentracin suficiente; en otras

palabras para que se inicie una grieta se debe contar con una

combinacin crtica de estado de esfuerzos y concentracinde hidrgeno.

3.2 Zonas de triaxialidad de esfuerzos y propagacin degrietas

Cuando se aplica un esfuerzo unidireccional en un materialque contenga una entalla, se generan dos esfuerzostransversales adicionales al esfuerzo longitudinal aplicadoque no son uniformes en los lmites de la entalla existente,tal como se ilustra en la Figura 2, y producen un estadotriaxial de esfuerzos que se vuelve mximo en un punto ms

all del borde de la entalla; la magnitud de estos esfuerzosdepender de la agudeza de la entalla, siendo menos crticapara el caso de discontinuidades de forma esfrica (como unporo o una inclusin de escoria) que para el caso de unaplanar (como una grieta o una falta de fusin). A partir deldesarrollo de una teora de esfuerzos triaxiales (Morlet,

Johnson, and Troiano, 1958) la cual asume que lafragilizacin se ocasiona por la concentracin de hidrgenocerca de estas entallas. Su teora predice que en la regin demximos esfuerzos triaxiales cerca de una cavidad o de unincrementador de esfuerzos, se encontrar una concentracinde hidrgeno atmico en solucin que excede el nivel enequilibrio de los alrededores. Esta concentracin de

hidrgeno en la entalla es inocua; se requiere de una cantidadcrtica de esfuerzos para causar que este hidrgeno sea

perjudicial.

La fuerza impulsora para la difusin de hidrgeno dentrode esta regin es inducida por el gradiente de esfuerzoscreado por la zona de esfuerzos triaxiales, lo cual sugiere quese necesita de un estado de esfuerzos no uniforme para laformacin de grietas inducidas por hidrgeno. Elcrecimiento de la grieta ocurre cuando el hidrgeno alcanzauna concentracin crtica en la zona de mximos esfuerzos

triaxiales que posibilita que la grieta se incremente hasta estazona; se interrumpe el crecimiento de la grietamomentneamente hasta que el hidrgeno vuelva a viajar pordifusin al frente de la grieta expandida hasta alcanzarse,nuevamente, una concentracin de hidrgeno crtica. La

propagacin de la grieta se da por la repeticin sucesiva deeste mecanismo despus de que el hidrgeno pasa pordifusin al frente de la grieta y alcanza nuevamente unaconcentracin crtica, lo cual hace que la caracterstica de

propagacin de estas grietas sea discontinua.

Figura 2. Distribucin de esfuerzos triaxiales alrededor de

una entalla o concentrador de esfuerzos (Dieter, 1988).

Un mtodo para estudiar la fragilizacin por hidrgeno escargar probetas entalladas con una cantidad conocida dehidrgeno, someterlas a diferentes esfuerzos (cada probeta aesfuerzo constante) en una mquina que les induzca unacarga continua y determinar el tiempo para la falla. Si segrafica la variacin del esfuerzo aplicado con el tiempo parala fractura de un material con cierta concentracin dehidrgeno se obtiene una curva similar a la ilustrada en laFigura 1. Observe que en la curva existen: el esfuerzo crticosuperior por encima del cual la falla es inmediata, el esfuerzocrtico inferior por debajo del cual no existir falla a pesar

del tiempo de aplicacin de la carga y una regin centraldonde el tiempo para la falla se hace menor cuando mayor esel esfuerzo aplicado.

La similitud de la curva de agrietamiento retardado conlas curvas de fatiga Esfuerzo-Nmero de ciclos (S-N) hallevado a que se emplee el trmino de fatiga esttica parareferirse al fenmeno de grietas asistidas por hidrgeno(Dieter, 1988). En trminos generales, el mnimo esfuerzocrtico o lmite de fatiga esttico se incrementa con la

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disminucin del contenido de hidrgeno o con ladisminucin de la severidad o agudeza de la entalla.

4 LOCALIZACIN DE LAS GRIETAS EN FRIO ENSOLDADURAS DE ACEROS

Las grietas asistidas por hidrgeno en soldaduras de aceropueden presentarse en el metal fundido o en la zona afectadatrmicamente dependiendo de la composicin qumica delmetal base en relacin con la composicin qumica de lamezcla del metal fundido (se habla de mezcla porquegeneralmente se trata de una combinacin por dilucin delmetal de aporte y del metal base). El metal fundido al estaren contacto directo con la atmsfera protectora

proporcionada por el proceso de soldadura es el primero enabsorber el hidrgeno atmico disociado que queda

incorporado en el material despus de la solidificacin. Acontinuacin se explicar porqu el hidrgeno puedequedarse concentrado en el metal fundido o viajar hasta lazona afectada por el calor del metal base, haciendo que lasgrietas se incuben y crezcan en uno u otro de estos lugares.

4.1 Solubilidad del hidrgeno atmico en el aceroEl hidrgeno atmico proveniente de cualquier fuente essoluble en el acero en estado lquido y esta solubilidad sedesvanece cuando se disminuye la temperatura no solamentedurante el paso de estado lquido al slido, marcada por una

significante discontinuidad, sino tambin durante lastransformaciones de fase que se presentan durante elenfriamiento. La variacin de la solubilidad del hidrgenoen el hierro o acero lquido y en sus diferentestransformaciones alotrpicas se ilustra en la Figura 3, la cualse conoce con el nombre de Curva de Sieverts; de all se

puede observar que el hierro lquido tiene una solubilidadrelativamente alta y se disminuye bruscamente durante lasolidificacin en hierro , posteriormente su solubilidadaumenta en la transformacin a austenita o hierro y vuelvea disminuir en la transformacin a ferrita o hierro ; si sedisminuye la temperatura en cada una de las diferentes fasesla solubilidad de hidrgeno tambin se reduce. El proceso

de solidificacin y de enfriamiento tan rpido asociado conla tcnica de la soldadura mantiene un exceso de hidrgenoen el metal lquido ahora slido.

4.2 Difusividad del hidrgeno atmico en el aceroEl hidrgeno en solucin supersaturada tiende a moversedentro del metal de soldadura por difusin en estado slido y

puede llegar a establecerse en el mismo metal de soldadura oen la zona afectada por el calor del metal base. El procesode difusin, que arranca tan pronto comienza el enfriamiento

y continua despus, est influenciado por el contenido inicialde hidrgeno al final del enfriamiento y por la diferencia enel coeficiente de difusin entre la austenita y la ferrita yaque, como se ilustra en la Figura 4, el hidrgeno se difundemas fcilmente en la ferrita que en la austenita. Como se

puede deducir de las curvas mostradas en las Figuras 3 y 4con la transformacin de fase del hierro o del acero deaustenita a ferrita se reduce la solubilidad del hidrgeno y seincrementa la difusividad o coeficiente de difusin de esteintersticial en dichos materiales.

Figura 3. Influencia de la solidificacin y de lastransformaciones alotrpicas del hierro en la solubilidad de

hidrgeno Curva de Sieverts (Granjon,1991)

Figura 4 Difusividad de hidrgeno atmico en ferrita yaustenita (coeficiente de difusin) (Granjon,1991)

4.3 Grietas ubicadas en la zona afectada trmicamente(ZAT)

Para explicar el proceso del paso del hidrgeno atmicohacia la ZAT a travs de la lnea de fusin se requiere

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considerar una seccin longitudinal de un cordn desoldadura durante su aplicacin y la influencia que tienen las

posiciones relativas de las isotermas de transformacin de laaustenita en diferentes subproductos entre el metal soldado(TF) y el metal base en laZAT (TB), tal como se ilustra en la

Figura 5 (Granjon,199; Stearling, 1992). En esta figura setraza la curva AC que representa la isoterma detransformacin del metal fundido de austenita a ferrita mascementita, el lmite de fusin que separa el metal fundido delaZATy el lmite de laZATque lo separa del metal base noafectado por el calor.

Cuando el metal fundido ya solidificado experimentadurante la soldadura una transformacin perltica (por efectode su composicin qumica), la cual se da a una temperaturaTF(P) relativamente alta, mientras que el metal de baseexperimenta una transformacin martenstica, a unatemperatura TB(Ms) relativamente baja, las isotermas TF(P) yTB(Ms)estn desfasadas en la direccin longitudinal como semuestra en la Figura 5. Existe, entonces, una lnea AB lacual separa el metal de soldadura ferrtico-perltico, donde lasolubilidad de hidrgeno est disminuida drsticamente(curva de Sieverts), de la zona afectada del metal basetodava en estado austentico y con una concentracin muy

baja de hidrgeno razn por la cual cuenta con unacapacidad relativamente alta para absorber hidrgeno. Elresultado es un mecanismo de difusin de hidrgeno delmetal fundido (ferrtico-perltico de baja solubilidad dehidrgeno) hacia el metal base austentico activado por lasdiferencias de solubilidad y de concentracin en uno y otro

lado de la lnea de fusin. Debido a que el coeficiente dedifusin de hidrgeno en solucin en la austenita es muchomenor que en la ferrita, dicho hidrgeno no se difunde

profundamente dentro de la matriz del metal base,transitoriamente en estado austentico, por lo que llegacargado con hidrgeno concentrado en una capa estrecha delaZATal encuentro con la isoterma de transformacin TB(Ms).

Cuando ocurre la transformacin martenstica de laaustenita enriquecida en hidrgeno se renen las condicionesde una concentracin de hidrgeno y una microestructuraque, como la martensita, son la base para la formacin degrietas en fro; los esfuerzos pueden ser residuales o de

servicio de la unin soldada. Por consiguiente, en el caso deun metal base con una templabilidad superior a la del metalde aporte o a la de la mezcla que compone el metal fundido(lo cual depende bsicamente de sus respectivascomposiciones qumicas) la localizacin de una eventualgrieta en fro estar en alguna parte de esa estrecha franja delaZAT; por este motivo, es comn encontrar en la literaturatcnica que a este tipo de grietas se les denomine comogrietas debajo del cordn (proveniente del inglsunderbead crack).

Figura 5. Seccin longitudinal que muestra la evolucin delhidrgeno en la soldadura de un metal base de ms

templabilidad que el metal fundido

4.4 Grietas ubicadas en el metal fundido.Si el metal fundido tiene una templabilidad superior a la delmetal base, como se esquematiza en la Figura 6 (Granjon,1991; Stearling, 1992), ste se transforma en martensita auna temperatura TF(Ms) relativamente baja, con un desfasecon la transformacin del metal base que se da en el punto Ba una temperatura TB(P), especialmente si esta ltimatransformacin es perltica. Puede observarse en la Figura 6el desfase entre las isotermas TF(Ms)(lnea AC) y TB(P)(lnea

B). Como el metal fundido todava es austentico puede

retener el hidrgeno en solucin slida; por otro lado, ya quela austenita presenta una baja difusividad de hidrgeno y laferrita tiene una baja solubilidad de hidrgeno, no existedifusin de este elemento hacia el metal base a travs de lalnea de fusin entre los puntos A y B, quedndose todo elhidrgeno concentrado en el metal fundido. De esta manera,cuando el metal fundido con una alta concentracin dehidrgeno se transforma en martensita en el punto A, secombinan los factores para que se pueda presentar elfenmeno de agrietamiento en fro en el metal fundido, sinque exista riesgo de que aparezca en laZAT.

Entre los casos descritos en las Figuras 5 y 6 se puedepresentar en teora una situacin donde el metal fundido y elmetal base tengan la misma templabilidad, lo cualsignificara que ambos pueden ser afectados por lafragilizacin por hidrgeno y, por consiguiente, en amboslugares puede existir riesgo de agrietamiento en fro, aunquedebido a la baja difusividad de hidrgeno en la austenita y aque el metal base generalmente puede no contar con nivelesde hidrgeno significativos, las probabilidades deagrietamiento se inclinan a favor del metal fundido.

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Figura 6. Seccin longitudinal que muestra la evolucin delhidrgeno en la soldadura de un metal base de ms

templabilidad que el metal fundido

Finalmente, en la Figura 7 (Granjon, 1991; Stearling,1992), se ilustra lo que pasa cuando se utiliza un metal deaporte austentico para soldar un metal base de altatemplabilidad. Como el metal fundido permaneceaustentico hasta el final del enfriamiento (por lo tantoinmune al agrietamiento en fro), no existe unatransformacin que modifique la solubilidad de hidrgeno y,consecuentemente, no hay difusin de hidrgeno hacia lazona afectada trmicamente por lo que no hay posibilidad defragilizacin de dicha zona. Por tal motivo, en algunos casosse usan metales de aporte austenticos de manera exitosa

para soldar aceros susceptibles al agrietamiento en fro, sin

embargo, es necesario evitar una excesiva dilucin ya questo podra volver martenstico el metal fundido y de estamanera susceptible a la fragilizacin por hidrgeno.

Figura 7. Seccin longitudinal que muestra la evolucin delhidrgeno en la soldadura de un metal base endurecible con

un metal fundido austentico

Todos los aspectos explicados anteriormente, le permitenal ingeniero de soldadura predecir, con base en elconocimiento de los metales involucrados en la ejecucin deuna junta soldada por fusin, en cuales lugares de la unin se

podran presentar las grietas inducidas por hidrgeno lo cual

es de inters tanto en el campo de la inspeccin, ya que sepuede enfocar la deteccin de defectos mediante ensayosdestructivos o no destructivos en estos lugares, como en elcampo del anlisis de falla ya que puede convertirse en unaayuda durante la caracterizacin de cierto tipo de grieta con

base en su ubicacin; igualmente, si se toma enconsideracin el objetivo del presente trabajo, estainformacin se constituye en una herramienta fundamental

para el desarrollo de procedimientos de soldadura seguros.

5 CONCLUSIN

Fueron expuestos los conceptos que gobiernan la nucleaciny el crecimiento de las grietas inducidas por hidrgeno y se

plantearon las condiciones que se deben reunir para suformacin en soldaduras por fusin de aceros ferrticos;igualmente, se present una explicacin del porqu estasgrietas pueden presentarse en el metal fundido o en la ZATsegn las caractersticas de templabilidad de los metalesinvolucrados en una unin soldada. Posteriormente, en la

parte complementaria de este trabajo se presentar unaexplicacin de varios de los mtodos tecnolgicos de mayoraplicacin a nivel mundial en la industria de las

construcciones soldadas desarrollados para evitar elagrietamiento en fro durante la fabricacin.

REFERENCIAS

Interrante, C. and Stout, R. Delayed cracking in steelweldments. Welding Journal. Abril 1964.

Linnert, George E. Welding Metallurgy carbon and alloysteels. Vol. 1. Cuarta edicin. 1994.

Troiano, A. The role of hydrogen and other intersticials inthe mechanical behavior of metals. ASM Transactions.1960.

Morlet, J., Johnson, H. y Troiano, A. A new concept ofhydrogen embrittlement in steel. Ibid, 188. 1958.Dieter, George E. Mechanical Metallurgy. 1988.Granjon, H. Fundamentals of welding metallurgy. 1991.Stearling, K. Introduction to the physical Metallurgy of

Welding. Second Edition. Butterworth Heinemann. 1992.

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