Utskrift från Malmö högskolas webbplats www.mah.se

Hydrogen induced degradation of precipitation hardened engineering alloys

Kontaktperson: Christina Bjerkén
Medarbetare: Martin Fisk och Niklas Ehrlin
Finansiär: Vetenskapsrådet
Tidsram: 2013-01-01 -- 2016-12-31
Fakultet/institution: Fakulteten för teknik och samhälle, Institutionen för medieteknik och produktutveckling

Flera av de avancerade, högpresterande metallegeringar som används till komponenter inom flyg- och rymdapplikationer, energiproduktion samt lagring och transport av vätbaserade drivmedel är känsliga för väte. Materialens hållfasthet kan försämras om tillräckligt stora mängder väte finns i materialen t ex genom att spröda sk hydrider bildas eller väteatomer interagerar med mikrostrukturen så att atombindningarna i materialet försvagas. Väte kan tas upp av materialen om det utsätts för högt vätgastryck och/eller en korrosiv miljö. Förhöjd temperatur och hög mekanisk belastning underlättar väteupptaget ytterligare, och påverkar också diffusion av väte i materialet, bildandet av spröda hydrider och andra förändringar av materialets mikrostruktur. Vid sprickspetsar är den lokala mekaniska belastningen hög och där ansamlas väte, vilket innebär att sprickpropagering underlättas.

I det föreslagna projektet kommer väteförsprödning i utskiljningshärdade konstruktionsmaterial kommer att studeras. Dessa material har en mycket komplicerad mikrostruktur, som måste representeras av en avancerad materialmodell. För att beräkna hur vätet fördelar sig i materialet krävs en evolutionsmodell som tar hänsyn till mikrostrukturen. En dominerande mekanism bakom väteförsprödning i dessa utskiljningshärdade legeringar anses vara interaktionen mellan väte och dislokationsrörelser. Dislokationer är sk linjefel i strukturen hos kristallina material, och permanent deformation (plasticering) av metaller orsakas till största del av dislokationsrörelse och skapande av nya dislokationer.  Vätet kan påverka mobiliteten och hastigheten på dislokationers rörelser, vilket resulterar i en så kallad väteinducerad lokal plasticering. Många undersökningar har påvisat att vätekoncentrationen är högre vid dislokationer och vakanser. Med en kopplad fysikaliskt baserad plasticitetsmodell, som är grundad på mikrostrukturförändringar i materialet, ges möjlighet att simulera lokalisering av väte i och nära en plastisk zon. Modellen tar hänsyn till förändringar av dislokationer, vakanser, kornstorlekar, etc. under plastisk deformation. Den fysikaliskt baserade, eller den dislokationsdensitetbaserade, materialmodellen, kopplas till förändringar av vätgaskoncentrationen i kristallgittret och dislokationer då materialet utsätts mekanisk belastning vid olika temperaturer. Inverkan av vätgaskoncentrationens påverkan på dislokationsrörelser kan härefter beaktas. Materialmodellen är generell, men fokus i detta projekt kommer vara att utveckla en kopplad materialmodell som tar hänsyn till vätets påverkan på hållfastheten för den nickelbaserade superlegeringen IN718. Materialet är vanligt förekommande i flyg- och rymdindustrin i komponenter som är utsatta för extrema miljöer, t ex motorer. Modellen kommer att kalibreras mot data från tidigare experiment gjorda utan närvaro av vätgas samt mot tester på vätgasladdade prover som planeras för det föreslagna projektet. Projektet kommer också att ha till gång till data från termo-mekanisk provning i vätgasmiljö genom ett pågående industrisamarbete.

Vårt mål är att ta fram ett nytt beräkningsverktyg som kan användas för att prediktera försämringen av hållfastheten och ev haveri av utskiljningshärdade legeringar som utsätts för vätemiljö under extrema förhållanden, såsom höga temperaturer och utmattningsbelastning Eftersom möjligheterna att göra tester vid dessa förhållanden är begränsade, finns det ett stort behov av denna föreslagna typen av modellering för att kunna interpolera och extrapolera experimentella resultat på ett kontrollerat sätt.

Description in English

The interaction between hydrogen and the motion of dislocations in precipitate hardened engineering materials will be studied. Hydrogen increases the mobility and the rate of movements of dislocations, which results in so-called hydrogen enhanced localized plasticity or HELP. In experiments, it is shown that the concentration of hydrogen is higher near dislocations or vacancies. Using a coupled microstructure and physically based plasticity model will enable us to simulate the localization of hydrogen in and near a plastic zone. The model uses the evolution of dislocations, vacancies, grain size, etc. during plastic deformation. The physically based, or dislocation density based, material model can then be coupled to the evolution of hydrogen concentration in lattice and microstructural trapping sites during plastic deformation.  Influence of hydrogen concentration on the change in dislocation mobility will then be taken into account. The material model is generic, but  will here be developed with the focus on the nickel-based superalloy IN718. The material is commonly used in space and aero space applications, such as aircraft and rocket engines that are exposed to extreme environments including hydrogen atmospheres. The overall purpose of the proposed project is to develop a new modeling tool that can be used to predict degradation and failure of precipitation hardened alloys exposed to hydrogen under harsh conditions such as extreme temperatures and fatigue load

Senast uppdaterad av Magnus Jando