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Characterization of the Effect of Hydrogen Embrittlement on the Fatigue Crack Propagation Behaviour of AISI 415 Martensitic Stainless Steel

Davoud Harandizadeh Najafabadi

Master's thesis (2022)

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Abstract

The damage tolerance approach requires knowledge of the fatigue crack growth rate (FCGR) and fracture mechanisms of a material in order to plan inspection intervals so that any propagating cracks can be arrested before leading to a failure. The fatigue crack growth (FCG) behaviour of AISI 415 alloy has been well studied in the literature due to its wide industrial usage, specifically in the fabrication of hydro turbines. However, the effects of environmental parameters on crack propagation in this material has not yet been fully documented. An international partnership known as the Fatigue-Corrosion International Research Project (FATCO) was launched in 2019 to investigate the corrosion fatigue behaviour of 13Cr-4Ni alloy. Since hydrogen may be emitted during corrosion, the present study was defined as part of the FATCO project to determine the impact of absorbed hydrogen on fatigue crack growth in AISI 415 steel. To address this central question, a test method is established to introduce hydrogen to AISI 415 and its efficiency and reproducibility are validated. Then, the effect of absorbed hydrogen on the FCGR of AISI 415 is measured. In addition, its effect on the fatigue fracture mechanism is characterized. Lastly, the observed effect of hydrogen on the FCGR and fatigue fracture mode are explained theoretically. In this project, the effects of pre-charged hydrogen (H) on the fatigue crack growth kinetic and fracture mechanisms are studied for a quenched and tempered 415 martensitic stainless steel with an ultimate strength (σu) of approximately 850 MPa and 20 % reformed austenite content. The mechanical properties of samples enriched with hydrogen are compared to raw samples in tensile and fatigue crack growth tests. To enrich the samples with hydrogen, electrochemical charging under a constant current is performed. Fatigue crack growth (FCG) tests are conducted following the ASTM E647 procedure at two constant stress intensity factor ranges (ΔK= 8 MPa.m0.5 and 15 MPa.m0.5) and three cyclic loading frequencies (f=35 Hz, 3.5 Hz and 0.35 Hz). The results of monotonic tests reveal that a pre-charged H content close to the solubility limit (more than 13 mg/kg) causes a 30 % decrease in material ductility. FCG testing reveals that pre-charged hydrogen in concentrations as small as 4 mg/kg doubles the FCGR at a specific ΔK of 15 MPa.m0.5 and frequency of 0.35 Hz. In addition to the concentration of hydrogen, other factors influencing the sensitivity of the FCGR to hydrogen are the load frequency, level of ΔK, and crack closure.

Résumé

Selon l'approche de tolérance aux dommages, le taux de croissance des fissures de fatigue et le mode de rupture doivent être connus à des fins de conception et de maintenance. Le comportement de croissance des fissures de fatigue de l'alliage AISI 415 est bien établi dans la littérature en raison de sa large utilisation industrielle, en particulier dans la fabrication des hydro-turbines. Cependant, l'effet des paramètres environnementaux sur le comportement de croissance des fissures de fatigue de ce matériau est toujours un domaine d'intérêt ouvert. Dans ce projet, l'effet de l'hydrogène interne (H) sur le taux de croissance des fissures de fatigue et le mode de rupture est étudié pour un acier inoxydable martensitique 415 trempé et revenu avec une résistance ultime (σu) d'environ 850 MPa et une teneur en austénite réformée de 20 %. Les propriétés mécaniques d'échantillons enrichis en hydrogène sont comparées à des échantillons bruts à l'aide d'essais de croissance de fissures de traction et de fatigue. Pour enrichir les échantillons en hydrogène, les échantillons sont chargés électrochimiquement en utilisant la méthode du courant constant. Les tests de croissance des fissures de fatigue sont effectués selon la procédure ASTM E647 à deux plages d'intensité de contrainte constante (ΔK = 8MPa.m0.5 et 15 MPa.m0.5) à trois fréquences de chargement cycliques (f = 35 Hz, 3.5 Hz et 0.35 Hz). Les résultats des tests monotones révèlent qu'une teneur en H interne d'environ 11 mg/kg en poids entraîne une diminution de la ductilité en traction du matériau à deux tiers. Le test de croissance des fissures de fatigue révèle que l'hydrogène interne à une concentration aussi faible que 4 mg/kg en poids augmente le taux de croissance des fissures de fatigue de 2 fois à ΔK =15 MPa.m0.5 et f = 0.35 Hz. Les résultats indiquent également que, en plus de la concentration en hydrogène, trois paramètres de la fréquence de charge, le niveau de ΔK et la fermeture des fissures affectent également la sensibilité du le taux de croissance des fissures de fatigue à la fragilisation par l'hydrogène. Un modèle est proposé basé sur les théories de la décohésion assistée par l'hydrogène (HEDE) et de la diffusion induite par les contraintes (SID) pour expliquer l'effet des variables étudiées. Ce modèle original est capable d'expliquer la sensibilité plus élevée du la croissance des fissures de fatigue à la fragilisation interne par l'hydrogène à ΔK=15 MPa.m0.5 (par rapport aux résultats obtenus à ΔK=8 MPa.m0.5) et à la fréquence de chargement la plus basse testée (0.35 Hz). Le modèle explique la proportion la plus élevée de rupture intergranulaire observée à ΔK=15 MPa.m0.5 et f=3.5 Hz.

Department: Department of Mechanical Engineering
Program: Génie mécanique
Academic/Research Directors: Myriam Brochu and Denis Thibault
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/10488/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 06 Feb 2023 14:56
Last Modified: 06 Feb 2024 22:03
Cite in APA 7: Harandizadeh Najafabadi, D. (2022). Characterization of the Effect of Hydrogen Embrittlement on the Fatigue Crack Propagation Behaviour of AISI 415 Martensitic Stainless Steel [Master's thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/10488/

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