Innovative Design of Residual Stress and Strain Distributions for Analyzing the Hydrogen Embrittlement Phenomenon in Metallic Materials

Abstract

[EN] Round-notched samples are commonly used for testing the susceptibility to hydrogen embrittlement (HE) of metallic materials. Hydrogen diffusion is influenced by the stress and strain states generated during testing. This state causes hydrogen-assisted micro-damage leading to failure that is due to HE. In this study, it is assumed that hydrogen diffusion can be controlled by modifying such residual stress and strain fields. Thus, the selection of the notch geometry to be used in the experiments becomes a key task. In this paper, different HE behaviors are analyzed in terms of the stress and strain fields obtained under diverse loading conditions (un-preloaded and preloaded causing residual stress and strains) in different notch geometries (shallow notches and deep notches). To achieve this goal, two uncoupled finite element (FE) simulations were carried out: (i) a simulation by FE of the loading sequences applied in the notched geometries for revealing the stress and strain states and (ii) a simulation of hydrogen diffusion assisted by stress and strain, for estimating the hydrogen distributions. According to results, hydrogen accumulation in shallow notches is heavily localized close to the wire surface, whereas for deep notches, hydrogen is more uniformly distributed. The residual stress and plastic strains generated by the applied preload localize maximum hydrogen concentration at deeper points than un-preloaded cases. As results, four different scenarios are established for estimating “a la carte” the HE susceptibility of pearlitic steels just combining two notch depths and the residual stress and strain caused by a preload.

[ES] Las muestras con entalla redondeada se utilizan comúnmente para evaluar la susceptibilidad a la fragilización por hidrógeno (HE) de materiales metálicos. La difusión de hidrógeno se ve influenciada por los estados de tensión y deformación generados durante la prueba. Este estado causa microdaños asistidos por hidrógeno que conducen a fallas debidas a HE. En este estudio, se asume que la difusión de hidrógeno puede controlarse modificando dichos campos de tensión y deformación residuales. Por lo tanto, la selección de la geometría de entalla que se utilizará en los experimentos se convierte en una tarea clave. En este artículo, se analizan diferentes comportamientos de HE en términos de los campos de tensión y deformación obtenidos bajo diversas condiciones de carga (sin precarga y precargada causando tensión y deformaciones residuales) en diferentes geometrías de entalla (entallas superficiales y entallas profundas). Para lograr este objetivo, se realizaron dos simulaciones de elementos finitos (EF) desacoplados: (i) una simulación por EF de las secuencias de carga aplicadas en las geometrías con entalla para revelar los estados de tensión y deformación y (ii) una simulación de la difusión de hidrógeno asistida por tensión y deformación, para estimar las distribuciones de hidrógeno. Según los resultados, la acumulación de hidrógeno en entallas superficiales se localiza considerablemente cerca de la superficie del alambre, mientras que en entallas profundas, el hidrógeno se distribuye de forma más uniforme. La tensión residual y las deformaciones plásticas generadas por la precarga aplicada localizan la concentración máxima de hidrógeno en puntos más profundos que en los casos sin precarga. Como resultado, se establecen cuatro escenarios diferentes para estimar individualmente la susceptibilidad de los aceros perlíticos a la corrosión por entalladura (HE), combinando simplemente dos profundidades de entalla y la tensión residual y la deformación causadas por una precarga.