Phase field fracture modelling of austenitic stainless steels in high-pressure gaseous hydrogen

• A. Díaz ^[1] ; R. Rodríguez-Aparicio ^[1] ; V. Arniella ^[1] ; J.M. Alegre ^[1] ; I.I. Cuesta ^[1]
  1. [1] Universidad de Burgos

     Universidad de Burgos

     Burgos, España

     
• Localización: Revista española de mecánica de la fractura, ISSN-e 2792-4246, Nº. 9, 2025, págs. 63-68
• Idioma: inglés
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• Resumen
  • español

    Los componentes para manejar hidrógeno gaseoso a alta presión, como tubos o válvulas, suelen estar fabricados con aceros inoxidables austeníticos. Se asume que la susceptibilidad de estos aceros a la fragilización por hidrógeno es baja y generalmente está relacionada con la transformación martensítica inducida por deformación. Para predecir la fractura asistida por hidrógeno en una amplia gama de aceros inoxidables austeníticos, se ha desarrollado un marco de modelización en el software de elementos finitos Comsol Multiphysics que captura todos los fenómenos implicados: transformación martensítica, transporte de hidrógeno, fragilización y fractura. La modelización del transporte de hidrógeno incluye la difusión dependiente de la tensión hidrostática y una difusividad que aumenta con la fracción volumétrica de martensita. Estas características están acopladas con un modelo de fractura de phase field informado por hidrógeno, en el que se asume una función de degradación basada en la cobertura de las intercaras. Se simulan ensayos de tracción en hidrógeno a alta presión para dos aceros inoxidables diferentes, 316L y 316, con diferentes ductilidades y estabilidad de la austenita. Los parámetros de fractura del modelo han sido ajustados tanto en ensayos al aire como en ensayos en hidrógeno gaseoso a 200 bar. Los parámetros de degradación ajustados permiten predecir el grado de fragilización para ambos tipos de aceros.

  • English

    High-pressure components to handle gaseous hydrogen, such as tubes or valves, are commonly made of austenitic stainless steels. The susceptibility of these steels to hydrogen embrittlement is recognised to be low and usually linked to the strain-induced martensitic transformation. To predict hydrogen-assisted fracture of a wide range of austenitic stainless steels, a modelling framework is developed in the finite element software Comsol Multiphysics to capture all the phenomena involved: martensitic transformation, hydrogen transport, embrittlement and fracture. Hydrogen transport modelling includes stress-assisted diffusion and the enhanced diffusivity as a function of martensite volume fraction. These features are coupled with a hydrogen-informed phase field fracture model, where a degradation function is assumed to be based on the interface coverage. Tensile tests in high-pressure hydrogen are simulated for two different stainless steels, 316L and 316, with different ductility and austenite stability. Fracture parameters have been fitted using tests in air and also tests in gaseous hydrogen at 200 bar. Degradation parameters that have been fitted predict the embrittlement degree for both steels.