Análisis numérico de la fragilización por hidrógeno mediante modelos de fisura cohesiva

Resumen

Los materiales metálicos se utilizan masivamente en estructuras y componentes industriales. Sin embargo, la fragilización por hidrógeno degrada significativamente el comportamiento mecánico de metales y aleaciones, comprometiendo la integridad estructural en numerosas aplicaciones industriales. Uno de los grandes retos de nuestro tiempo es el desarrollo de modelos que permitan predecir el inicio y la propagación del daño en ambientes corrosivos. El presente trabajo de tesis aspira a contribuir a dicho objetivo empleando modelos de zona cohesiva y una caracterización mecanística del comportamiento mecánico en la vecindad de la grieta. En primer lugar, se propone un modelo de fisura cohesiva capaz de modelizar el daño debido a la carga cíclica y a la fragilización por hidrógeno. El marco numérico desarrollado incluye, de forma acoplada, (i) transporte de masa, incorporando la influencia de las trampas microestructurales, (ii) comportamiento mecánico caracterizado por la teoría de Plasticidad J2 en deformaciones finitas, y (iii) agrietamiento, por medio de una ley de tracción-separación. El modelo reproduce cualitativamente las tendencias relevantes observadas en los ensayos experimentales y las diferencias cuantitativas existentes son discutidas extensamente. Los resultados muestran que para alcanzar un acuerdo cuantitativo es necesario que la concentración de hidrógeno en la zona de proceso de fractura sea significativamente mayor. Una posibilidad, en concordancia con los ensayos en la micro-escala y las simulaciones de la dinámica de dislocaciones, es que la tensión, y por consiguiente la concentración de hidrógeno, se incrementa considerablemente cuando se acumulan en un volumen pequeño gradientes de deformación plática. Este efecto de la deformación plástica no homogénea y su elevación tensional se puede capturar en el medio continuo por medio de teorías de gradientes de deformación plástica. En la segunda parte de la tesis, se analiza la influencia de las teorías de gradientes de deformación plástica en el transporte de hidrógeno hacia la zona de proceso de fractura. Para ello se conecta un modelo de transporte de masa con un modelo de gradientes de deformación plástica basado en una descripción fenomenológica de la influencia de las dislocaciones geométricamente necesarias. Los resultados muestran que cerca de la grieta se acumulan grandes gradientes de deformación, elevando las tensiones y la concentración de hidrógeno en la red. Las predicciones del modelo se comparan con resultados experimentales, observándose un acuerdo cuantitativo, en contraste con las predicciones de la plasticidad convencional. Finalmente se investiga el inicio y la propagación de grietas a partir de defectos tipo entalla empleando las teorías de gradientes de deformación plástica. Se consideran numerosas geometrías, intentando abarcar los defectos tipo entalla más comunes, y se obtienen resultados para carga monotónica y fatiga. El modelo predice una influencia importante de los gradientes de deformación plástica, mostrando la necesidad de caracterizar de forma precisa los campos tensionales en la vecindad de defectos en componentes estructurales. Un modelo numérico que reproduzca con fidelidad la fractura asistida por hidrógeno abre muchas posibilidades, donde la rapidez y el bajo coste de las predicciones puede ser clave en la evaluación y cuantificación de los riesgos en componentes industriales. Asimismo, la posibilidad de realizar ensayos virtuales con precisión abre la puerta a un uso controlado de aceros de alta resistencia en el sector energético, entre otros. Los resultados resaltan la importancia de caracterizar de forma precisa el endurecimiento del material y avalan la idoneidad de los modelos de fisura cohesiva para la predicción de la fragilización por hidrógeno tanto bajo cargas monotónicas como cíclicas.