A multi-scale framework to characterize hydrogen-induced damage in steels

Tekkaya, Berk; Aravas, Nikos; Münstermann, Sebastian

doi:HT031231608

A multi-scale framework to characterize hydrogen-induced damage in steels

Tekkaya, Berk^RWTH*

2025 & 2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Berk Tekkaya, M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2026

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Münstermann, Sebastian (Thesis advisor)^RWTH* ; Aravas, Nikos (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-07-30

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-06524
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/1015683/files/1015683.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
coupled damage modeling (frei) ; crystal plasticity (frei) ; hydrogen induced damage (frei) ; non-metallic inclusions (frei) ; pipe forming (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Als Energieträger kann Wasserstoff in Zukunft eine saubere Energieversorgung gewährleisten. Allerdings muss dafür eine Infrastruktur für den sicheren Transport und die Speicherung von wasserstoffhaltigen Medien etabliert bzw. die Umstrukturierung der vorhandenen Erdgaspipelines auf den Wasserstofftransport (=European Hydrogen Backbone) bzgl. der Werkstoffintegrität untersucht werden. Da der Wasserstoff eine versprödende Wirkung auf die Materialeigenschaften metallischer Werkstoffe hat und unter Einwirkung von Spannungen zum Versagen durch wasserstoffinduzierte Rissbildung führt, handelt es sich hierbei um eine sowohl wissenschaftlich als auch wirtschaftlich höchst anspruchsvolle Aufgabe. Mit dem Ziel, die Wasserstoffbeständigkeit von Stählen zu charakterisieren, wird ein numerisches Framework auf unterschiedlichen Skalen entwickelt, die miteinander interagieren. Dieser Modellierungsansatz ermöglicht auf der Mikroskala die Untersuchung des Gefügeeinflusses und des Reinheitsgrads durch statistisch repräsentative Volumenelemente (sRVE) auf die Wasserstoffdiffusion und das Trappingverhalten anhand eines implementierten gekoppelten Kristallplastizitätsmodells mit Wasserstofftransport. Auf der Mesoskala wird die Auswirkung des Wasserstoffs auf das Schädigungsverhalten unter Berücksichtigung des Spannungszustandes analysiert, indem gängige Laborversuche für die Ermittlung der Materialkennwerte mit und ohne Wasserstoffeinfluss simuliert werden. Hierfür wird ein gekoppeltes chemisch-mechanisches Schädigungsmodell implementiert. Auf der Makroskala wird der Einfluss der Umformhistorie auf die Wasserstoffanfälligkeit des Werkstoffes untersucht. Als Prozess wird das UOE-Rohreinformen für die Herstellung der Rohre betrachtet. Durch einen Submodellierungsansatz werden Mikrostrukturmodelle (sRVE) an unterschiedlichen Stellen im Rohr platziert, die die einzelnen Umformschritte durchlaufen. Mit einer anschließenden Aufbringung der Wasserstoffkonzentration und einer Simulation der Wasserstoffdiffusion werden die Wasserstoffkonzentrationen in der Mikrostruktur berechnet. Somit werden kritische Stellen im Rohr für die wasserstoffinduzierte Rissbildung basierend auf der Gefügecharakteristik ermittelt. Des Weiteren bietet dieser Multiskalen-Ansatz die Simulation des sogenannten HIC-Tests unter Einfluss von umforminduzierten Eigenspannungen. Die implementierten Materialmodelle werden anhand experimenteller Daten kalibriert und validiert.

As an energy carrier, hydrogen can ensure a sustainable energy supply in the future. However, an infrastructure for the safe transportation and storage of hydrogen-containing media must be established and the repurposing of existing natural gas pipelines for hydrogen transportation (=European Hydrogen Backbone) must be investigated with regard to material’s integrity. Since hydrogen has an embrittling effect on the material properties of steels and leads to failure due to hydrogen-induced cracking under the impact of stresses, this is a highly challenging task, both scientifically and economically. With the objective of characterizing the hydrogen resistance of steels, a numerical framework is developed on different scales, which are coupled with each other. On the microscale, this modeling approach enables the investigation of the microstructural properties on hydrogen diffusion and trapping behavior using the implemented coupled crystal plasticity model with hydrogen transport. On the mesoscale, the influence of hydrogen on the damage behavior can be analyzed, taking into account the stress state, by simulating the most common laboratory tests for determining the material properties with and without hydrogen loading. A coupled chemical-mechanical damage model is implemented for this purpose. On the macroscale, the influence of the loading history from cold forming on the material's susceptibility to hydrogen is investigated. The UOE pipe forming process is considered for the production of the pipes. The submodeling approach is used to place microstructural models (sRVE) at different locations in the pipe, which pass through the individual forming steps. With a subsequent application of the hydrogen concentration and the simulation of hydrogen diffusion, the hydrogen concentrations in the microstructure are computed. In this way, critical points in the pipe for hydrogen-induced crack formation are determined based on the microstructural characteristics. Furthermore, this multi-scale approach provides the simulation of the so-called HIC test under the influence of residual stresses for a specimen taken from a pipe, for example. The implemented material models were calibrated and validated using experimental data.

OpenAccess:
PDF
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