Coupling of hydrogen assisted embrittlement with a modeling framework for the interaction between the phase field approach for brittle fracture and the interface cohesive zone model

Abstract

El fenómeno de fragilización de hidrógeno ha sido una causa conocida en procesos de fractura en metales desde el siglo XIX, debido a la degradación en propiedades mecánicas que desencadena la entrada de dicha molécula en el esqueleto del material. Es un caso tan complejo y difícil de analizar que apenas hay referencias de cómo actúa en la estructura interna. Por lo tanto, se hace necesario desarrollar e implementar modelos numéricos que expliquen concretamente cómo de afectada se ve la estructura mecánicamente hablando con la contaminación por hidrógeno, especialmente si se quiere hacer una transición a una economía de hidrógeno limpia y segura. Por ello, a lo largo del documento, se va a ir desarrollando un código de sólido (bulk) e interfase que emplea el modelo matemático de phase field aplicado a mecánica de la fractura y que combina los previamente implementados de D. Emilio Pañeda [1]; y de D. Marco Paggi y de D. José Reinoso [2]; para poder modelizar dicho tipo de corrosión en estructuras metálicas. Para certificar su correcta implementación, además, se presentan ejemplos sobre una placa con una entalla en los que se han discutido la influencia de diversos parámetros y de los que se extrae las posibles aplicaciones que puede tener el modelo desarrollado. Dichas posibles salidas hablan del posible potencial que tiene, abarcando todo tipo de materiales: desde aceros inoxidables hasta superaleaciones de níquel; diferentes tipos de fractura, ya sea transgranular o intergranular, e incluso, puede valer para implementar el fallo dúctil del sólido.

Hydrogen embrittlement phenomenon has been a well-known cause of metal failure and fracture since the 19th century, due to the degradation in mechanical properties that unchains the entrance of this molecule in the material disposition. It is such a complex and difficult case to analyze that there is barely any reference on how it acts in the internal structure. Therefore, there is a real needing for developing and implementing numerical models that explain how specifically gets the structure affected mechanically with respect to hydrogen contamination, specially if a transition to a safe and clean hydrogen economy is desired. Because of that, throughout the document, a bulk & interface computational framework is going to be developed, which uses the fracture mechanics approach of the mathematical model called phase field and combines the previously implemented ones of Mr. Emilio Pañeda; and of Mr. Marco Paggi and Mr. José Reinoso; to model such type of corrosion on metallic structures. In addition, in order to verify its correct implementation, several examples on a two-grain cracked plate will be presented, discussing the influence of various parameter and extracting from it the possible applications that may represent the developed framework. Current results pursuit the possible potential that it possess, ranging from all types of materials: from stainless steels to nickel superalloys; different kinds of fracture, such as transgranular or intergranular, and, even, could be of importance to achieve the implementation of ductile fracture in the solid.