Mikrostruktursensitive Modellierung der wasserstoffinduzierten Rissbildung von Rohrleitungsstählen

Dölz, Michael; Bleck, Wolfgang; Zander, Brita Daniela; Münstermann, Sebastian

doi:39949

Mikrostruktursensitive Modellierung der wasserstoffinduzierten Rissbildung von Rohrleitungsstählen

Dölz, Michael^RWTH*

2020 & 2021

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von M. Sc. Michael Dölz

ImpressumAachen 2020

Umfang1 Online-Ressource (XIV, 124 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2021

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Münstermann, Sebastian (Thesis advisor)^RWTH* ; Zander, Brita Daniela (Thesis advisor)^RWTH* ; Bleck, Wolfgang (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-11-27

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-00219
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/809895/files/809895.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
API 5L X65 (frei) ; Abaqus (frei) ; HIC (frei) ; Rohleitungsstahl (frei) ; Wasserstoff (frei) ; hydrogen embrittlement (frei) ; wasserstoffinduzierte Rissbildung (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
In der vorliegenden Arbeit wurde der mikrostrukturelle Einfluss auf die wasserstoffinduzierte Rissbildung mit Hilfe eines dreidimensionalen numerischen Modellierungsansatzes mit der kommerziellen Software ABAQUS FEA beschrieben. Dabei wurde das in der Literatur voröffentliche zweidimensionale Modell nach Oriani und Barrera repliziert, mit der analytischen Lösung validiert und für den dreidimensionalen Anwendungsfall erweitert. Der dabei entstandenen Problematik der Vernetzung von komplexen Geometrien mit Hexaederelementen konnte durch die Verwendung von Tetraederelementen entgegengewirkt werden. Die mathematische Abweichung zwischen der lokalen Wasserstoffkonzentration der analytisch validierten Hexaederelemente und den Tetraederelementen wurde dabei durch eine entwickelte lineare Elementausgleichsfunktion gelöst. Zusätzlich wurde der HEDE- und HELP-Mechanismus in Form eines konzentrationsabhängigen spannungs- bzw. dehnungsgesteuerten Schädigungskriteriums implementiert. Aufbauend auf dem entwickelten dreidimensionalen Materialmodell konnten virtuelle Permeationsmessungen aufgebaut und durchgeführt werden, um auf Basis von realen Permeationsversuchen den effektiven Diffusionskoeffizienten des untersuchten niedriglegierten Pipelinestahls abzuleiten. Die Untersuchungen von einschlussbehafteten repräsentativen Volumenelementen mit unterschiedlichen fiktiven und realen Einschlusscharakteristiken zeigten, dass ein starker Zusammenhang zwischen der Entwicklung der lokalen Wasserstoffkonzentration und der vorliegenden Einschlusschemie vorherrscht. Im Weiteren konnte ebenfalls auch ein Größen- und Formeinfluss der Einschlüsse aufgezeigt werden. Das Modell zur Beschreibung der spannungsabhängigen Wasserstoffdiffusion wurde zur Bestimmung der kritischen nichtmetallischen Einschlüsse angewandt. Der Vergleich von unterschiedlichen Einschlusssystemen hat ergeben, dass vor allem Einschlüsse mit der chemischen Zusammensetzung Al2O3 zu einer deutlichen Erhöhung der lokalen Wasserstoffkonzentration führten. Dadurch wird belegt, dass bei der wasserstoffinduzierten Rissbildung vor allem diese Einschlüsse einen kritischen Beitrag zur Rissinitiierung leisten.

In the present work, the microstructural influence on hydrogen-induced cracking is described using a three-dimensional numerical modelling approach with the commercial software ABAQUS FEA. The two-dimensional model according to Oriani and Barrera, which previously has been published in literature, was replicated, validated with an analytical solution and extended to the three-dimensional application. The resulting problem of meshing complex geometries with hexahedral elements could be counteracted by the use of tetrahedral elements. The mathematical deviation between the local hydrogen concentration of the analytically validated hexahedral elements and the tetrahedral elements was solved by a developed linear element compensation function. Furthermore, the HEDE and HELP mechanisms were implemented in the form of a concentration-dependent stress or strain-controlled damage criterion. On the basis of real permeation tests, the newly developed three-dimensional material model could successfully generate virtual permeation measurements hence enable the derivation of the effective diffusion coefficient of the investigated low alloy pipeline steel. The investigations of inclusion-affected representative submodels with different fictional as well as real inclusion characteristics showed that a strong correlation between the development of the local hydrogen concentration and the existing inclusion chemistry can be observed. Additionally, the influence of size and shape of the inclusions could be shown. The model for the description of the stress-dependent hydrogen diffusion was applied to determine the critical non-metallic inclusions. The comparison of different inclusion systems showed that inclusions with the chemical composition Al2O3 in particular led to a significant increase in the local hydrogen concentration. Thus, proving that especially these inclusions contribute critically to the hydrogen-induced crack initiation.

OpenAccess:
PDF
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