Experimental methodology for evaluating KIEAC of carbon steels in deaerated substitute ocean water solution at several CO2 gas pressures using pin-loaded SENT specimens

Several standards describe procedures for the experimental determination of threshold stress intensity factor for environment-assisted cracking (KIEAC), allowing the use of different specimen geometries and methodologies for crack length estimation. However, due to a combination of structure type and/or specimen size, main loading direction, crack orientation and microstructural features of the component that need to be characterized, alternative geometries need to be applied in some cases. In this thesis, a methodology based on a combination of definitions and procedures of ISO 7539-1:2012, ASTM E1681-03, and ASTM F1624-12 standards was used for the experimental evaluation of KIEAC of carbon steels through sustained load tests with incremental loading. Fatigue pre-cracked pin-loaded single-edge notched in tension (SENT) specimens, defined by BS 8571:2018 standard, were assessed in deaerated substitute ocean water solution at three different CO2 gas pressures (maximum: 80 bar) at two temperatures (maximum: 90°C). The direct current potential drop (DCPD) technique was applied for monitoring the crack length during the tests and it proved to be a helpful technique for detecting and defining the onset of subcritical crack growth. The applied methodology has been proven suitable for the KIEAC evaluation of these carbon steels in the specific solution at different CO2 gas pressures and temperatures. In addition, fracture toughness tests in air at room temperature were also performed following the ASTM E1820-20b standard on SE(B) specimens of similar sizes.

Diverse norme descrivono le procedure per la determinazione sperimentale del fattore di intensificazione degli sforzi soglia per la frattura assistita dall'ambiente (KIEAC), consentendo l'uso di diverse geometrie di provini e metodologie per la stima della lunghezza della cricca. Tuttavia, a causa di una combinazione di tipo di struttura e/o dimensione del campione, direzione di carico principale, orientamento della cricca e caratteristiche microstrutturali del componente che deve essere analisato, in alcuni casi è necessario applicare geometrie alternative. In questa tesi è stata utilizzata una metodologia basata su una combinazione di definizioni e procedure delle norme ISO 7539-1:2012, ASTM E1681-03 e ASTM F1624-12 per valutare sperimentalmente il KIEAC di acciai al carbonio attraverso prove di carico costante con caricamento incrementale. I campioni SENT pre-criccati in fatica, definiti dalla norma BS 8571:2018, sono stati valutati in una soluzione disareata di acqua di mare simulata a tre diverse pressione di gas CO2 (massima: 80 bar) e a due temperature diverse (massima: 90°C). La tecnica della caduta di potenziale elletrico in corrente continua (DCPD) è stata applicata per monitorare la lunghezza della cricca durante le prove e si è rivelata una tecnica utile per rilevare e definire l'inizio della crescita subcritica della cricca. La metodologia applicata si è dimostrata adatta per la valutazione del KIEAC di questi acciai al carbonio nella soluzione specifica a diverse pressioni del gas CO2 e temperature. Inoltre, sono state eseguite anche prove di tenacità alla frattura in aria a temperatura ambiente secondo la norma ASTM E1820-20b su provini SE(B) di dimensioni simili.