Numerical simulations of hydrogen embrittlement on AISI 4140 steel by cohesive models

The present thesis aims to study numerically the embrittling effect of hydrogen on a Cr-Mo steel (AISI 4140) quenched and tempered at different temperatures. A complex numerical model is applied to simulate the crack propagation during toughness tests. The model fully couples the stress with the diffusion analyses, governing the decrease of the cohesive strength of finite elements placed at the ligament. The thesis presents an introduction on the hydrogen effects on steels, and describes the results of previous experimental data and numerical simulations in presence of hydrogen. Then, the numerical model is applied to the steel object of this study. At first, the cohesive parameters are calibrated based on experimental R-curves of the as-received material. Then, the attention is focused on the simulations in presence of hydrogen. After the validation through the comparison with the experimental curves, the output of the hydrogen concentration in traps is further analysed with a sensitivity analysis based on two parameters: 1) the law relating the number of traps to the equivalent plastic strain, e.g. Sofronis and Kumnick formulations, and 2) the binding energy of the traps. The aim of this part of the work is to analyse the sensitivity of these steel grades to the inputs of the numerical simulations, especially dealing with the traps. The conclusions will underline the need to tailor these parameters based on the characteristics of the simulated steels, to improve the fitting with the experimental findings.

Questo lavoro di tesi si propone di studiare numericamente l’effetto di infragilimento dell’idrogeno in un acciaio Cr-Mo (AISI 4140), temprato a diverse temperature. Un complesso modello numerico viene applicato alle simulazioni di propagazione di cricche in prove di tenacità. Il modello accoppia le analisi di sforzo e di diffusione dell’idrogeno, che governano la diminuzione degli sforzi coesivi degli elementi finiti posizionati nel piano di propagazione della cricca. La tesi presenta un’introduzione sugli effetti dell’idrogeno su acciaio, e descrive i risultati di precedenti prove sperimentali e simulazioni numeriche in presenza di idrogeno. In seguito, si applica il modello numerico all’acciaio oggetto di studio. Inizialmente, i parametri coesivi sono calibrati con le curve di propagazione sperimentale del materiale non caricato; in seguito, l’attenzione si focalizza sulle simulazioni con idrogeno. Dopo la validazione dal confronto con i risultati sperimentali, si analizza l’andamento dell’idrogeno nelle trappole con un’analisi di sensibilità, attraverso due parametri: 1) la legge che collega il numero di trappole alla deformazione plastica, con le formulazioni di Sofronis e Kumnick, e 2) l’energia di legame delle trappole. Lo scopo di questa parte del lavoro è di analizzare la sensibilità di questi acciai agli input numerici, specialmente con riferimento alle trappole. Le conclusioni sottolineano la necessità di personalizzare questi parametri in base alle caratteristiche degli acciai simulati, per migliorare l’accordo con i risultati sperimentali.