Hydrogen-assisted crack propagation in α-iron during elasto-plastic fracture toughness tests

Abstract

The scope of this thesis is to explore the applications of electron microscopy in the eld of hydrogen embrittlement (HE). The fundamental understanding of HE is still lacking and requires some advanced approaches to improve it. Electron energy-loss spectroscopy (EELS) was tested as a potentially viable technique for indirect hydrogen detection at nano-scale with transmission electron microscope (TEM). Hydrogen trapped at the grain boundaries or dislocations was expected to change electronic structure of local iron atoms in pure Fe specimens as predicted by density functional theory (DFT). Unfortunately, no changes in electronic structure were detected experimentally and the hypothesis was not con rmed due to several possible reasons. Namely, high dose of electrons inducing radiolysis and knock-on damage, and too high background signal. Recently developed direct-detection cameras are suggested as a possible solution for overcoming both of these limitations. This PhD project was quite a journey. Hydrogen embrittlement eld is like a forest-the deeper you go the darker it gets. I am very happy that in the end I found the exit from this forest and managed to reach the goal of the four year project-nishing this thesis. A more exciting part of the journey was the opportunity to stay in Japan for more than six months. There I met some great experts in the eld of hydrogen embrittlement, but more importantly great people who became not only my colleagues, but also friends. I would therefore like to thank my main supervisor, Annett Thøgersen, for providing me with the opportunity to explore the eld of hydrogen embrittlement, for guiding me through the pitfalls and encouraging when I was trapped in one. I also want to acknowledge her organizational skills, which made the trip to Japan possible. My co-supervisors, Øystein Prytz and Amin S. Azar, made an invaluable contribution to my development as a researcher. Their clear explanations and thorough discussions on di cult technical topics helped me a lot to proceed forward and taught me to think and work in a more methodical way, which is an indispensable skill in academia. I would also like to thank the people in the Structural Physics group who were together all along these past four years. In particular for their time spent on assisting me with the microscopes, sharing the knowledge about di erent techniques, doing workouts at the ping-pong table and having quick, two hour long tea/co ee breaks. My only regret for these years is that I didn't spend enough time with you. I am extremely grateful to have met my collaborates from Japan, Hisao Matsunaga, Yuhei Ogawa, Osamu Takakuwa, and Junichiro Yamabe. I felt like by simply being among them I was getting smarter and more disciplined. Without their contributions, this thesis would not be possible. My family deserves a special thanks for supporting me during all these years. They are the ones who taught me determination and that everything is possible if you want it enough. I am extremely proud of having such encouraging, but al...

A fast fracture approach to assess hydrogen embrittlement (HE) susceptibility and mechanism(s) of high strength martensitic steels

“…This phenomenon can be only effective if extensive plastic deformation occurs. However, limitation of plasticity and consequent reduction of plastic zone size in case of in presence of H are reported in several papers for iron and its alloys [58][59][60][61][62]. Nevertheless, even if, there is reduction in plastic zone size in presence of H, 4140 will have advantage over the other materials and thus, it qualitatively explains its lowest susceptibility.…”

Effect of the stress-strain state on the path of quasi-cleavage hydrogen-assisted cracking in low-carbon steel

“…Существует две прямо противоположных точки зрения относительно природы формирования поверхности квазискола. Согласно одной из них квазискол является результатом распространения трещины скола, реализации которого способствует водород, например, путем ослабления межатомных связей в кристаллической решетке [14], либо за счет блокирования эмиссии дислокаций из устья трещины [15]. При этом наличие следов вязкого разрушения в изломе объясняется влиянием пластической деформации, сопровождающей процесс роста трещины.…”

Quantitative comparison of cleavage and quasi-cleavage fracture surfaces in hydrogen embrittled low-carbon steel

“…Другое распространенное мнение заключается в том, что поверхность КС является результатом хрупкого разрушения, которое осуществляется по механизму ИС, в то время как следы вязкого разрушения в изломе -лишь следствие сопутствующей пластической деформации [2,6]. Предполагается, что водород может провоцировать скол за счет снижения силы сцепления атомов в кристаллической решетке [2] или за счет блокирования эмиссии дислокаций из устья трещины [6].…”

“…Другое распространенное мнение заключается в том, что поверхность КС является результатом хрупкого разрушения, которое осуществляется по механизму ИС, в то время как следы вязкого разрушения в изломе -лишь следствие сопутствующей пластической деформации [2,6]. Предполагается, что водород может провоцировать скол за счет снижения силы сцепления атомов в кристаллической решетке [2] или за счет блокирования эмиссии дислокаций из устья трещины [6]. Одним из доводов в пользу данной теории является тот факт, что в монокристаллах сплава Fe-3 %Si поверхность КС имеет кристаллографическую ориентацию {001} [1,2,6], т. е. совпадающую с плоскостями скола в альфа-железе.…”

“…Предполагается, что водород может провоцировать скол за счет снижения силы сцепления атомов в кристаллической решетке [2] или за счет блокирования эмиссии дислокаций из устья трещины [6]. Одним из доводов в пользу данной теории является тот факт, что в монокристаллах сплава Fe-3 %Si поверхность КС имеет кристаллографическую ориентацию {001} [1,2,6], т. е. совпадающую с плоскостями скола в альфа-железе. Однако, например, в чистом железе и низкоуглеродистой стали фасетки КС чаще имеют ориентацию {011} и {112} [3,4,13].…”