Modelling of hydrogen embrittlement phenomenon: different prespectives and dimensional scales

The present thesis deals with both experimental tests and numerical modelling of hydrogen embrittlement phenomenon on a low alloy high strength steel, AISI4130, commonly used for hydrogen storage vessels. The thesis is divided in three main parts: one experimental and two numerical at different dimensional scales, macroscale and atomistic-mesoscale. As regards the experimental part, fatigue crack growth and fracture toughness tests were carried out on as-received and electrochemically hydrogen precharged specimens. The fracture toughness data was used for the calibration and validation of two macroscale cohesive finite element models developed in the second part of the thesis. The first model considers not fully coupled hydrogen diffusion and stress analyses and thus is implemented in three subsequent steps of simulations. On the other hand, the second model fully couples the analyses in a unique step of simulation. Despite the different implementation and different results in terms of hydrogen concentration, both models agree in the prediction of the mechanical behaviour of the steel in presence of hydrogen. Finally, the last part considers a physical perspective in the investigation of hydride formation as a possible cause for hydrogen embrittlement, through a multiscale model that links ab initio and continuum description at mesoscale.

Il presente lavoro di tesi riguarda la modellazione numerica e sperimentale del fenomeno di infragilimento da idrogeno in un acciaio ad alta resistenza, AISI 4130, comunemente utilizzato per serbatoi adibiti allo stoccaggio di idrogeno. La tesi si divide in tre parti principali: una sperimentale e due numeriche alla macroscala e scala atomistica-mesoscala. Per quanto riguarda la parte sperimentale, sono state condotte prove di propagazione a fatica e di tenacità sia su provini di materiale base che caricati con idrogeno per via elettrochimica. I risultati delle prove di tenacità sono stati utilizzati per la calibrazione e la validazione di due modelli coesivi ad elementi finiti sviluppati nella seconda parte della tesi. Il primo modello risolve in maniera parzialmente accoppiata l’analisi di diffusione di idrogeno e di sforzo e pertanto viene implementato considerando tre step consecutivi di analisi. Il secondo modello, invece, accoppia in maniera totale le due analisi in un unico step di simulazione. Nonostante le due differenti implementazioni e i diversi risultati ottenuti in termini di concentrazione di idrogeno, entrambi i modelli convergono alla medesima soluzione nel predire il comportamento meccanico dell’acciaio contaminato da idrogeno. Infine, l’ultima parte della tesi considera lo studio della formazione di idruri nei metalli da una punto di vista fisico come possibile causa del fenomeno di infragilimento da idrogeno, attraverso un modello multiscala che lega calcoli ab initio con una descrizione del continuo alla mesoscala.