Numerical models for simulating hydrogen diffusion and embrittlement in high strength steels

Abstract

Esta tesis presenta y discute la modelización de la difusión de hidrógeno en metales como un primer paso para predecir y mitigar la fractura asistida por hidrógeno. La fragilización por hidrógeno es un fenómeno mediante el cual se degradan los metales y las aleaciones, siendo habituales los fallos a industriales asociados a este hecho. Sin embargo, la relación entre el hidrógeno y la transición dúctil -frágil en el modo de fractura no está del todo clara. Por lo tanto, el presente trabajo tiene como objetivo establecer, validar, implementar y analizar un modelo numérico para simular la difusión de hidrógeno y la fragilización, en el marco de la Mecánica de los Medios Continuos y por medio de un software de Elementos Finitos. Además, se han reproducido ensayos de tracción de probetas entalladas en contacto con hidrógeno y se ha simulado la difusión de hidrógeno en depósitos almacenando H2 a presión.

This thesis presents and discusses hydrogen diffusion modelling as a first step in predicting and mitigating hydrogen-assisted fracture. Hydrogen embrittlement is a common phenomenon that degrades metals and alloys, and related failures are usual in industry. However, the relationship between hydrogen and the transition from ductile to brittle modes of fracture is not entirely clear. Therefore, the present work has the objective of establishing, validating, implementing and analysing a consistent numerical model for hydrogen diffusion, in a Continuum Mechanics framework by means of a Finite Element software. In addition, a notched tensile test is simulated, demonstrating that the combination of diffusion with damage models might predict brittle fracture. Vessels storing hydrogen are also simulated with the purpose of finding hydrogen distributions near stress concentrators; influence of cyclic loads and compressive residual stresses are also evaluated in these deposits.