Modeling of hydrogen induced cold cracking in a ferritic steel
Modélisation de la fissuration à froid dans un acier ferritique de type 16MND5
Résumé
This thesis is aimed at studying the hydrogen induced cold cracking (HICC) in the heated affected zone (HAZ) of weldments and at proposing a criterion to predict this phenomenon.
HICC is attributable to three factors: i) a susceptible microstructure; ii) hydrogen concentration; and iii) a critical stress.
To this end, first tensile tests on smooth specimens charged with hydrogen were performed to investigate hydrogen embrittlement of martensite. According to these results, a ductile-brittle damage model is proposed in order to establish a HICC criterion.
In order to validate this criterion, we performed the modified Tekken tests. The Tekken test was chosen because one can control the welding parameters in order to induce cold cracking. The modified Tekken tests have then been modeled using a fully coupled thermo-metallo-mechanical-diffusion model using the finite element method. This model allows to compute martensite’s portion, residual stress level and hydrogen concentration in the HAZ. By applying the HICC criterion to these tests, cold cracking phenomenon has been correctly predicted.
L’objectif de cette thèse est l’étude du phénomène de fissuration à froid qui se produit dans la zone affectée thermiquement (ZAT) lors de l’opération du soudage. Il s’agit plus précisément de développer un critère pour prédire ce phénomène.
Il est bien établi que la fissuration à froid se produit sous l’effet combiné de trois facteurs : i) une microstructure dure et fragile qui est ici la martensite ; ii) une teneur en hydrogène suffisamment élevée ; et iii) une contrainte critique.
Pour ce faire, nous avons tout d’abord réalisé des essais de traction sous hydrogène sur des éprouvettes martensitiques afin d’étudier la fragilisation de la martensite par l’hydrogène. Ensuite, et sur la base des résultats expérimentaux, un modèle d’endommagement ductile-fragile est proposé. Ce modèle a permis d’établir le critère de fissuration à froid recherché.
Pour valider ce critère, nous avons réalisé des essais de type Tekken. L’avantage de cet essai est qu’il permet de contrôler les paramètres du soudage pour provoquer la fissuration à froid.
Enfin, cet essai a été reproduit à l’aide d’une modélisation thermo-métallo-mécanique-diffusion. Ainsi, la teneur en hydrogène dans la ZAT, la proportion de martensite et les contraintes résiduelles ont été calculées. L’application de notre critère montre une bonne corrélation entre la modélisation et l’essai. La fissuration à froid est bien prédite.
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