On the Use of Multi-Step Dies for Improving the Performance against Hydrogen Embrittlement of Cold Drawn Prestressing Steel Wires

Abstract

[EN] The main cause of in-service failure of cold drawn wires in aggressive environments is hydrogen embrittlement (HE). The non-uniform plastic strains and residual stresses generated after cold drawing play a significant role in the matter of HE susceptibility of prestressing steels. In this paper, a new and innovative design of the drawing scheme is developed, geared towards the reduction in both manufacturing-induced residual stresses and plastic strains. To achieve this goal, three innovative cold drawing chains (consisting in diverse multi-step dies where multiple diameter reductions are progressively carried out in a single die) are numerically simulated by the finite element (FE) method. From the residual stress and plastic strain fields revealed from FE numerical simulations, hydrogen accumulation for diverse times of exposure is obtained by means of FE simulations of the hydrogen diffusion assisted by stress and strains. Thus, an estimation of the HE susceptibility of the cold drawn wires after each process was obtained. Results reveal that cold drawn wire using multi-step dies exhibits lower stress and strain states nearby the wire surface. This reduction causes a decrease in the hydrogen concentration at the prospective damage zones, thereby improving the performance of the prestressing steel wires in hydrogenating environments promoting HE. Thus, the optimal wire drawing process design is carried out using special dies with several reductions per die.

[ES] La principal causa de fallos en servicio de los alambres trefilados en frío en entornos agresivos es la fragilización por hidrógeno (FE). Las deformaciones plásticas no uniformes y las tensiones residuales generadas tras el trefilado en frío influyen significativamente en la susceptibilidad a la FE de los aceros de pretensado. En este artículo, se desarrolla un diseño innovador del esquema de trefilado, orientado a la reducción tanto de las tensiones residuales como de las deformaciones plásticas inducidas por la fabricación. Para lograr este objetivo, se simulan numéricamente tres innovadoras cadenas de trefilado en frío (que constan de diversas matrices multietapa donde se realizan múltiples reducciones de diámetro progresivamente en una sola matriz) mediante el método de elementos finitos (EF). A partir de los campos de tensiones residuales y deformaciones plásticas revelados por las simulaciones numéricas de EF, se obtiene la acumulación de hidrógeno para diversos tiempos de exposición mediante simulaciones de EF de la difusión de hidrógeno asistida por tensiones y deformaciones. De este modo, se obtiene una estimación de la susceptibilidad a la FE de los alambres trefilados en frío después de cada proceso. Los resultados revelan que el alambre trefilado en frío utilizando matrices multietapa presenta menores estados de tensión y deformación cerca de la superficie del alambre. Esta reducción provoca una disminución de la concentración de hidrógeno en las zonas de posible daño, mejorando así el rendimiento de los alambres de acero de pretensado en entornos hidrogenantes que promueven la hidrogenación. Por lo tanto, el diseño óptimo del proceso de trefilado se realiza utilizando matrices especiales con varias reducciones por matriz.