The Influence of Stress Concentration Factors on Hydrogen Embrittlement

Abstract

Hydrogen sprøhet (HS) er et viktig tema for å gjøre hydrogen til et mer levedyktig alternativ som en grønn energikilde. HE er kjent for å redusere styrken til materialer og forårsake uforutsette brudd. Der er mange mekanismer som forsøker å forklare HE prosessen, men de har vist seg å være ute av stand til å forklare hele prosessen. Nyere forskning har kombinert to mekanismer for å forklare HS prosessen, nemlig hydrogenforbedret decohesion (HFDE) og hydrogenforbedret lokal plastisitet (HFLP). HFDE og HFLP kombineres gjennom Hydrogen-Komplett Gurson Modellen (H-KGM+), som er bygget på den Komplette Gurson Modellen (KGM). H-KGM+ modellen kan uttrykke overgangen mellom duktilt til sprøtt brudd forbundet med HFLP og HFDE. H-KGM+ modellen er implementert i finittelementmetode (FEM) programvaren Abaqus igjennom en tilpasset sub-rutine. Effekten av tre hakktyper analyseres fra diffusjonsprosessen til reduksjonen av materialegenskaper og brudd. Gjennom resultatene vurderes innvirkningen av spenningskonsentrasjonsfaktoren (SKF) på de forksjellige hakktypene. De forskjellige hakktypene har vist seg å spille en stor rolle i diffusjonsprosessen. Selve diffusjonsprosessen starter på forskjelliger tider på grunn av stress forskjellen i geometrien. Distribusjonen av fanget hydrogen har også vist seg å være SKF avhengig siden den bestemmer om den fangede hydrogenen konsentrerer seg i senter, eller på spissen av geometrien. M-hakket har vist seg å være i et overgangsområde for distribusjonena av fanger hydrogen siden den er nermest jevnt fordelt mellom senrum og spissen. Videre spiller geometrien en iunnflytelsesrik rolle i overgangen fra duktil til sprøtt bruddmodus, hvor en høyere SKF resulterer i tidligere overgang til sprøtt brudd. Reduksjonen i belastningskapasitet på grunn av HS har blitt funnet å være mindre i det overgangsområdet M-hakket er i. U- og V- hakket viser imidlertid et mønster som indikrerer at høyere SKF-er resulterer i et høyere tap i strekkapasitet. En bredere variasjon av SKF-er må imdlertid gjøres for å bekrefte dette. Hydrogenets innflytelse på PEEQ og fraksjon av tomromsvolum (FTV) veksthastigheten er funnet å være redusert i sammenligning med et hydrogenfritt prøveemne. Dette kan indiketere at HFLP-mekanismen motvirkes av fanget hydrogen. Den største nedgangen i veksthastighet for FTV var funnet ble funnet å være i områder med et høyt forhold av fanget hydrogen over hydrogen i gitteret. Til slutt har SKF en betydelig effekt på HS prosessene fra diffusjon, distribusjon, degradering og bruddmodus. SKF viser løfte om å kunne bli brukt i en forenklet bruddprediksjonsmodell for in-situ-testing. Dette er på grunn av den tilnermede lineære forholdet mellom den opprinnelige hydrogenkonsentrasjonen og gitterkosentrasjonen in strum. I tillegg kjan reduksjonen i PEEQ ved brudd forklares med potensloven med rimelig nøyaktighet innenfor det undersøkte området av opprinnelig hydrogenkonsentrasjon. [1]

Hydrogen embrittlement (HE) is an important topic towards making hydrogen a more viable alternative as a green energy source. HE is known to reduce the strength of materials and cause unpredicted failures. There are many mechanisms attempting to explain the HE processes, but they have been shown to be incapable of explaining the entire process. Recent research has combined two mechanisms for explaining the HE processes, namely hydrogen enhanced decohesion (HEDE) and hydrogen enhanced localized plasticity (HELP). HEDE and HELP are combined through the Hydrogen-Complete Gurson Model (H-CGM+), which is built upon the Complete Gurson Model (CGM). The H-CGM+ model can express the transition between ductile and brittle failure associated with HELP and HEDE. The H-CGM+ model is implemented into the finite element analysis (FEA) software Abaqus, through a custom sub-routine. The effect of three notch types is analyzed from the diffusion process to the reduction of material properties and failure. Through the results the impact of the stress concentration factor (SCF) on the different notch types is considered. The different notch types have been shown to play a significant role in the diffusion process. Diffusion starts at separate times due to the stress differences resulting in separate yielding times. The distribution of trapped hydrogen is shown to be dependent on the SCF of the geometry as it determines whether the trapped hydrogen concentrates at the center, or at the tip of the specimen. The M notch has been found to be in the transitional range for the distribution of trapped hydrogen with the concentration being almost evenly distributed on both sides. Furthermore, geometry plays an influential role in the transition from ductile to brittle failure modes, with higher SCFs resulting in an earlier transition to brittle failure. The reduction in strain capacity because of HE has been found to be lesser in the transitional area the M notch is in. The U and V notch however show a pattern indicating that higher SCFs results in a higher loss in strain capacity. A wider variety of SCFs must however be done to confirm. The hydrogen influence on the PEEQ and void volume fraction (VVF) growth rate is found to be slowed down in comparison with a hydrogen free specimen. This could indicate that the HELP mechanism is counteracted by the presence of trapped hydrogen. The largest decrease in growth rate for the VVF was found to be in areas with a high ratio of trapped hydrogen over hydrogen in the lattice. Ultimately the SCF has a significant effect on the HE processes from diffusion, distribution, degradation and failure mode. The SCF shows promise for being used in a simplified failure prediction model for in-situ testing. This is due to the approximately linear relationship between the initial hydrogen concentration and the lattice concentration in the center. Additionally, the reduction in PEEQ at failure can be explained by the power law with reasonable accuracy within the investigated span of initial hydrogen concentration.