Cohesive zone modelling of fatigue crack propagation in X70 steel

Considering the global demand for the transition from fossil fuels to greener alternatives, the effect of hydrogen on metals is a highly discussed and studied topic in engineering research: the final goal is to achieve the knowledge for its safe transportation and distribution. In this context, a modelling tool that can capture the influence of hydrogen during fatigue crack propagation is required, as a predicting instrument able to reduce the number of experimental tests needed. This document presents a preliminary study that, in the absence of hydrogen, tries to evaluate the fatigue crack propagation rate as a function of ΔK in a C(T) specimen made of X70 steel. The phenomenon has been simulated in the Finite Element Software Abaqus, by placing specifically designed Cohesive Zone Elements along the crack ligament of the specimen. The results have been used to construct the Paris Law, and a coefficient m close to 3 is obtained, which is similar to the one achieved in the experimental tests. A sensitivity study of the mesh dimension and the material stiffness is also presented and discussed: its role in setting up the correct level of stress and plastic strain along the tip is described. For the future, to add the influence of hydrogen, further effort in numerical implementation will be considered, so that the crack speed behavior defined by the Cohesive Zone Elements will be coupled to other phenomena like diffusion and trapping.

Data la richiesta globale per una transizione verso alternative a minor impatto ambientale rispetto ai combustibili fossili, l’effetto dell’idrogeno sui metalli è una questione molto discussa e studiata in ambito ingegneristico: l’obiettivo finale è quello di raggiungere una conoscenza del fenomeno tale da consentire il trasporto e la distribuzione del gas in maniera sicura. In questo contesto, lo sviluppo di un modello in grado di simulare l’influenza dell’idrogeno sulla propagazione delle cricche a fatica consente di ridurre il carico di lavoro sperimentale. Questo documento presenta uno studio preliminare che, in assenza di idrogeno, cerca di stimare la velocità di propagazione di una cricca a fatica in funzione di ΔK, all’interno di un provino costituito da acciaio X70. Il fenomeno è stato simulato attraverso il software a elementi finiti Abaqus, posizionando degli elementi coesivi appositamente progettati di fronte alla cricca presente nel provino. I risultati sono stati utilizzati per costruire la legge di Paris, ottenendo un coefficiente m circa pari a 3, simile a quello ottenuto nei lavori sperimentali. È stato inoltre effettuato uno studio di sensitività sulla dimensione della mesh e sulla rigidezza del materiale, ed è stata discussa l’importanza di questo strumento per ottenere un corretto livello di stress e deformazione plastica in corrispondenza dell’apice della cricca. In futuro sarà necessario inserire l’influenza dell’idrogeno nel modello: la velocità di propagazione della cricca, definita dagli elementi coesivi, dovrà essere accoppiata ad altri fenomeni come la diffusione e l’intrappolamento dell’idrogeno.