A numerical analysis regarding hydrogen embrittlement of additive-manufactured specimens

The aim of the present thesis is to numerically investigate the effect of hydrogen embrittlement. The considered material belongs to the class of maraging steels, which feature ultra-high strength and are the top choice in the aerospace and automotive sectors. 18Ni-300 samples were obtained by means of Selective Laser Melting, and successively aged to induce precipitation. The material was characterized from the mechanical and microstructural points of view. Both the tensile strength and the hardness exhibit very large values, and are in accordance with literature. SEM observations highlight the cellular solidification structure, typical of additevely manufactured maraging steels. Density measurements confirmed the correct choice of the process parameters, which led to a negligible porosity presence. A numerical model was built, with the goal of correctly describing hydrogen diffusion inside the material and its effect on mechanical properties. The model is fully coupled, simultaneously solving the mechanical and diffusional problems. The solution is possible, in ABAQUS, exploiting a thermal-diffusional analogy. The crack advancement was modelled by means of Cohesive Zone Modelling. The cohesive parameters were calibrated basing on the experimental data in absence of hydrogen. Several initial conditions were analyzed, highlighting the influence of the main parameters affecting the problem.

Lo scopo di questa tesi è di investigare per via sperimentale e numerica l’effetto dell’infragilimento da idrogeno. Il materiale considerato appartiene alla classe degli acciai maraging, che sono caratterizzati da una resistenza ultra alta, e sono la miglior scelta nei settori aerospaziale e automotive. I provini di 18Ni-300 sono stati ottenuti tramite Selective Laser Melting, e successivamente invecchiati per indurre precipitazione. Il materiale è stato caratterizzato dai punti di vista meccanico e microstrutturale. Sia la resistenza a trazione che la durezza mostrano valori molto elevati, e sono in accordo con la letteratura. Le osservazioni al SEM evidenziano la struttura di solidificazione cellulare, tipica degli acciai maraging ottenuti per manifattura addittiva. Le misure di densità hanno confermato la scelta corretta dei parametri di processo, che hanno portato la presenza di porosità ad essere trascurabile. Un modello numerico è stato costruito con lo scopo di descrivere adeguatamente la diffusione dell’idrogeno all’interno del materiale, e il suo effetto sulle proprietà meccaniche. Il modello è completamente accoppiato, risolvendo contemporaneamente sia il problema meccanico che di diffusione. La soluzione è possibile, in ABAQUS, sfruttando un’analogia termo-diffusionale. L’avanzamento della cricca è stato implementato tramite il Modello a Zona Coesiva. I parametri coesivi sono stati calibrati basandosi sui dati sperimentali in assenza di idrogeno. Sono state analizzate diverse condizioni iniziali, evidenziando l’influenza dei principali parametri del problema.