A statistical, physical-based, micro-mechanical model of hydrogen-induced intergranular fracture in steel

材料科学 氢脆 晶间腐蚀 晶间断裂 晶界 位错 碳化物 脆化 断裂(地质) 穿晶断裂 环境应力断裂 可塑性 开裂 冶金 复合材料 腐蚀 微观结构 化学 有机化学
作者
P. Novak,Rodger Yuan,Brian P. Somerday,Petros Sofronis,Robert O. Ritchie
出处
期刊:Journal of The Mechanics and Physics of Solids [Elsevier BV]
卷期号:58 (2): 206-226 被引量:357
标识
DOI:10.1016/j.jmps.2009.10.005
摘要

Intergranular cracking associated with hydrogen embrittlement represents a particularly severe degradation mechanism in metallic structures which can lead to sudden and unexpected catastrophic fractures. As a basis for a strategy for the prognosis of such failures, here we present a comprehensive physical-based statistical micro-mechanical model of such embrittlement which we use to quantitatively predict the degradation in fracture strength of a high-strength steel with increasing hydrogen concentration, with the predictions verified by experiment. The mechanistic role of dissolved hydrogen is identified by the transition to a locally stress-controlled fracture, which is modeled as being initiated by a dislocation pile-up against a grain-boundary carbide which in turn leads to interface decohesion and intergranular fracture. Akin to cleavage fracture in steel, the “strength” of these carbides is modeled using weakest-link statistics. We associate the dominant role of hydrogen with trapping at dislocations; this trapped hydrogen reduces the stress that impedes dislocation motion and also lowers the reversible work of decohesion at the tip of dislocation pile-up at the carbide/matrix interface. Mechanistically, the model advocates the synergistic action of both the hydrogen-enhanced local plasticity and decohesion mechanisms in dictating failure.

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