Fatigue and fracture aspects of spherical cast iron in hydrogenous environment

Abstract

Opinnäytetyön tavoitteena oli tehdä kirjallisuuskatsaus vetyhaurastumis ilmiöön. Simulaatiomallia käytettiin tutkimaan loven ja grafiittinoduulin vuorovaikutusta pallografiitti valuraudassa ja sen vaikutusta vetykonsentraation jakautumiseen. Valurauta valittiin materiaaliksi sen laajan käytön ja kustannustehokkuuden vuoksi. Lisäksi rautojen ymmärrys vedyllä altistetuissa ympäristöissä on rajallinen, mikä edellyttää lisätutkimuksia, jos näitä materiaaleja käytetään tulevaisuudessa ympäristöissä, joissa ne altistuvat vedylle.

Kirjallisuuskatsauksessa tutkittiin vuosien varrella esitettyjä teorioita ilmiön selittämiseksi ja käytiin läpi erilaisia tehtyjä kokeita. Myös mallinnustyö on merkittävä osa tutkimusta, ja erilaisia malleja atomitasolta aina kontinuumiskaalaan tutkittiin. Vaikka ilmiötä on tutkittu vuosikymmeniä, alalla ei näytä olevan selkeää yksimielisyyttä, mikä johtuu suurelta osin vedyn pienestä koosta ja haasteista sen jakautumisen mittaamisessa materiaaleissa, erityisesti vetyloukuissa. Tämä havaittiin hyvin erilaisten lähestymistapojen laajalla rintamalla vetyhaurastumisen mallintamisessa.

Vaikka käytetty malli oli suhteellisen yksinkertainen, se osoitti, kuinka kahden rakenteellisen vian välinen vuorovaikutus voi muuttaa konsentraation huippua ja jakautumista. Jännityskeskittymät materiaalissa voivat johtaa lisääntyneeseen plastiseen muodonmuutokseen, mikä liittyy suoraan vetyhaurastumisen mekanismeihin. Jos materiaalin ja vetykonsentraation välillä loukuissa olisi käytetty kytkentää, tulokset voisivat vaihdella merkittävästi paikallisesti lokalisoituvan leikkausmuodonmuutoksen vuoksi, mikä on yleistä vetyhaurastumisessa.

Valurautojen ainutlaatuinen mikrorakenne voi tuottaa tuloksia, jotka poikkeavat merkittävästi teräksistä, joita on tutkittu laajasti vuosien varrella. Murtumismekanismit ja monifaasinen mikrorakenne, jossa lujuusarvot vaihtelevat faasien välillä, voivat tarjota suotuisat olosuhteet vetyhaurastumisen mekanismeille. Siksi ilmiön ymmärtämiseksi tarvitaan kokeellista työtä yhdessä riittävän yksityiskohtaisten simulaatiomallien kanssa.

Aim of this thesis is to conduct a literature review on the phenomenon of hydrogen embrittlement. A simulation model was employed to investigate the interaction between a notch and a graphite nodule in spherical cast iron, and how it affects the distribution of hydrogen concentration. Cast iron was chosen as the material due to its widespread use and cost efficiency. Additionally, the understanding of irons under hydrogenous environments is limited, necessitating further research if in the future these materials are to be used in environments where they would be exposed to hydrogen.

The literature review examined theories proposed over the years to explain the phenomenon and reviewed various experiments conducted. Modeling work is also a significant part of research and various models ranging from the atomic level to continuum scales were studied. Despite decades of study, there still seems to be no consensus in the field, largely due to the small scale of hydrogen and the challenges in measuring its distribution in materials, especially in trap sites. This was well observed with the wide front of different approaches for modeling hydrogen embrittlement.

Although the model used was relatively simple, it demonstrated how the interaction between two structural defects can alter the concentration peak and distribution. Stress concentrations in the material can lead to increased plastic strain, which is directly related to hydrogen embrittlement mechanisms. If coupling between the material and hydrogen in trap sites had been utilized, the results could vary significantly due to localized shear deformation commonly observed in hydrogen embrittlement.

The unique micro-structure of cast irons can yield results significantly different from steels, which have been extensively researched over the years. The mechanisms of crack propagation and the multiphase micro-structure with varying strength values may provide favorable conditions for the mechanisms proposed for hydrogen embrittlement. Therefore, experimental work, together with simulation models with sufficient detail, have to be employed to understand the phenomenon on a required level.