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【IJHE】多晶材料中氢辅助断裂的计算建模
发表时间:2022-10-27 阅读次数:138次

引文格式:

 

GB/T 7714      

Valverde-González A, Martínez-Pañeda E, Quintanas-Corominas A, et al. Computational modelling of hydrogen assisted fracture in polycrystalline materials[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2022, 47(75): 32235-32251.

MLA      

Valverde-González, A., et al. "Computational modelling of hydrogen assisted fracture in polycrystalline materials." International Journal of Hydrogen Energy (2022): 32235-32251.

APA      

Valverde-González, A., Martínez-Pañeda, E., Quintanas-Corominas, A., Reinoso, J., & Paggi, M. (2022). Computational modelling of hydrogen assisted fracture in polycrystalline materials. International Journal of Hydrogen Energy, 47(75), 32235-32251.

 

 

背景简介

氢是能源危机最有希望的解决方案的核心,被广泛视为未来的能源载体和最通用的储能方式。氢可以通过可再生能源,如风能或太阳能的电解生产,并储存起来作为燃料或化学工业的原料。然而,氢脆导致的金属结构灾难性失效阻碍了氢能的发展。由于氢脆现象,暴露在含氢环境中的金属的延展性、断裂韧性和疲劳抗力明显降低。在含氢的情况下,延性金属以脆性方式失效,裂纹通常沿晶界形核和扩展。金属合金在氢化环境中的这种延性到脆性的转变是部署氢能基础设施的最大威胁之一。

目前有大量文献致力于阐明氢脆现象的物理机制,并开发能够防止故障和描述安全运行状态的预测模型,如内聚区模型、相场模型等。这两种模型都可以很容易地与氢传输方程耦合,并且已经成功定性地捕捉了主要的实验趋势,例如加载速率、氢浓度和材料强度的敏感性。然而,这些建模研究将材料视为各向同性的连续固体,而没有解析底层的微观结构。最近已有大量微观结构敏感性的工作,但这些研究仅限于捕捉扩散和变形之间的相互作用,并没有明确地模拟断裂过程。因此,本文提出了一个新的对微观结构敏感的计算框架来预测氢辅助断裂过程。

 

成果介绍

(1)提出了一种新的对微观结构敏感的计算框架,用于预测氢辅助断裂过程。该模型首次将整体断裂的相场描述与沿晶开裂的内聚区模型相结合,能够捕获延性穿晶断裂和脆性沿晶断裂,以及从一种断裂到另一种断裂的过渡过程。力学和氢扩散问题密切相关,静水应力驱动氢扩散,氢含量降低了晶界强度。建模框架如图1所示,采用相场断裂方法描述穿晶裂纹,同时将其与延性断裂过程联系在一起,并用内聚区模型预测晶界的失稳。

图1 概述建模框架的草图

(2)模拟了多晶固体的断裂,数值分析流程如图2所示,通过使用基于Voronoi的镶嵌算法生成微观结构,该算法在MATLAB中编程,然后使用Python脚本将生成的微观结构引入ABAQUS输入文件。变形-扩散-断裂耦合系统采用交错求解,每个子问题均采用逆向欧拉解法求解。并研究了50个晶粒的方形板微观结构中的裂纹形核和扩展,图3 (a) 中给出了单边缺口张力试样的尺寸。通过规定上边缘处的垂直位移,以uy=10-10 mm/s的速率施加载荷,而垂直位移在底部边缘处受到约束。为了防止刚体运动,水平位移在右下角被约束。样品在缺口所在的左侧暴露于氢中,不考虑预充氢时间,同时开始充氢和机械拉伸。环境氢浓度Cenv的大小在0至0.9 ppm wt之间变化,目的是捕获随着氢含量增加而降低的临界载荷,以及从延性 (块状) 断裂到晶间裂纹的过渡。

如图3(b-g)示,根据相场轮廓,在没有氢的情况下,裂纹在缺口尖端附近的晶粒内部成核,并以穿晶方式扩展。由于本体的刚度和界面的刚度之间的差异,在相邻晶粒之间发生应力不匹配,损伤似乎在更靠近其边界的晶粒区域内累积。相反,当样品暴露在氢气中时,裂纹沿晶界开始并以晶间方式扩展。如图 4 所示,裂纹在缺口附近成核,其中氢含量和拉伸应力都很大(见图 4a)。随着远程载荷的增加,裂纹扩展至相邻的晶界(图 4b-e),并最终导致试样完全失效(图 4f)。通过比较图 3 和图 4 可以发现,该模型捕获了通常在氢存在下观察到的延性(穿晶)到脆性(晶间)转变。在没有氢的情况下,晶界的强度足够大,以至于无法被其他机制驱动。然而,当样品中有足够的氢时,晶界的强度下降,导致晶间裂纹的早期成核和扩展。

图2 暴露于氢的多晶固体变形-扩散-断裂的数值分析流程

图3 单边缺口张力(SENT)试样:(a)几何图形,尺寸为mm,(b)-(f)Cenv=0 ppm wt的情况下,以穿晶的方式发生开裂。

图4  Cenv为0.25ppm wt时,裂纹以沿晶方式形成

(3)利用所建立的微观内聚区-相场公式模拟了纯Ni的氢辅助断裂行为,对比前人实验结论来揭示纯Ni的扩散、变形、温度和脆化之间的相互作用。如图5所示,模拟试样为规定尺寸的圆柱杆,在样品的中心区域引入了一个200晶粒的微观结构。并考虑了两种环境条件:(i)在空气中测试的样品,和(ii)暴露在氢含量为4000 appm(79.5 ppm wt)的样品。如图5和图6所示,该模型能够在定性和定量方面再现超出校准范围的实验测量结果。首先考虑图5的开裂模式,在没有氢的情况下(图5c),样品中心发生延性(穿晶)损伤而引发失效。然而,当样品暴露在氢气中时,由于内聚区界面的破坏,以沿晶方式发生开裂,导致脆性裂纹成核的晶界脱聚现象的位置随机产生。对于图5d的微观结构和条件,裂纹萌生在试样边缘附近,并向试样外表面和中心方向扩展。在77K和298K温度下,由于氢的作用,从延性穿晶损伤到脆性晶间开裂的变化都与实验相同。根据预测和测量的应力-应变曲线,四种情景获得的定量结果如图6所示,观察与实验结果非常一致

图5 温度对多晶镍样品失效的影响:(a)几何尺寸,以mm为单位,其中77K时d=4mm,RT样品d=3.6mm;(b)微观结构区域的放大视图,具有200个晶粒,(c)如相场所预测的延性(穿晶)损伤,(d)氢辅助晶间裂纹成核和扩展。


图6 温度对多晶Ni样品失效的影响: 在77K和环境温度 (298 K) 下,充氢与未充氢样品的工程应力-应变失效曲线。

 

致谢

感谢Erasmus基金会的资金支持,感谢EPSRC和UKRI的奖学金的资金支持,感谢欧盟Union-NextGenerationEU和西班牙政府大学部的资金支持,感谢科学、创新和大学部以及经济委员会、安达卢西亚政府和欧洲区域发展基金的资助,感谢意大利MIUR对项目的资助。

本期小编:徐浩波(整理)

杨逸璠(校对)

程 航(审核)

闵 琳(发布)