Hydrogen Embrittlement (HE) is a serious engineering problem for a wide range of industries starting from fastener, oil & gas to aerospace and nuclear. After several decades of extensive research, the HE problem has not been mitigated to a satisfactory level. HE in general, comprises of numerous layers of complexities involving hydrogen metal interactions, hydrogen diffusion and fracture, where each of these phenomena are entangled with one another to a certain degree. High strength martensitic steels which are known for structural and critical engineering applications suffer premature failure due to HE, to a great extent. The interactions of the hydrogen with the complex microstructure of these martensitic steels further enhances the challenges of mitigation. Therefore, the aim of the current research is to develop a better understanding on the susceptibility and mechanism(s) of HE failure of these materials, by studying the key factors affecting their embrittlement. In order to carry out the investigation, a combined approach based on experiments and numerical modeling has been adopted.

As a first step, the HE susceptibility of high strength martensitic steels was evaluated using conventional slow strain rate testing methodology, in bending. A stress coupled hydrogen diffusion finite element analysis (FEA) model integrated with a cohesive zone model was developed to simulate the HE test. The primary factors influencing material susceptibility to HE were studied using the model, and the evaluation of critical hydrogen concentration as a metric of material susceptibility was demonstrated.

Following the first study, a new approach involving rapid fracture test in four-point bending was proposed to assess HE susceptibility and mechanism(s). Stress coupled hydrogen diffusion FEA was also performed to calculate both stress and hydrogen concentration distributions in the domain, while simulating the test. A mechanistic description rooted in hydrogen enhanced decohesion (HEDE) mechanism was used to corroborate the mechanical test results, and fundamental understanding on the role of strength, microstructure and plasticity influencing HE susceptibility of materials, was also developed.

The difference in susceptibility obtained from the rapid HE test, for two different quench and tempered martensite steels with similar strength level and microstructural features were explained using advanced microstructural characterization techniques, FEA and nanoindentation. The role of local microstructure affecting the micromechanics of HE fracture was discussed.

Finally, hydrogen diffusion along the interface boundaries in a typical martensitic microstructure was investigated using centroidal Voronoi based FEA model. The influences of packet boundaries and prior austenite grain boundaries on the output hydrogen flux and concentration were studied. The presence of retained austenite in the microstructure affecting the diffusion of hydrogen was also studied. An overall understanding on hydrogen diffusion characteristics in a martensitic microstructure was demonstrated for better prediction of HE fracture.

Thus, the current research provides fundamental understanding on the HE susceptibility of martensitic steels, as well as mechanistic insights, that could be instrumental in tackling the HE problem.

La fragilisation par l'hydrogène (FPH) est un problème d'ingénierie sérieux pour un large éventail d'industries allant de la fixation, du pétrole et du gaz à l'aérospatiale et au nucléaire. Après plusieurs décennies de recherches approfondies, le problème de la FPH n'a pas été atténué de manière satisfaisante. La FPH, en général, comprend de nombreuses couches de complexité impliquant des interactions métal-hydrogène, la diffusion d'hydrogène et la fracture, où chacun de ces phénomènes est couplé aux autres dans une certaine mesure. Les aciers martensitiques à haute résistance, qui sont connus pour les applications d'ingénierie structurelle et critique souffrent dans une large mesure d'une défaillance prématurée due à la FPH. Les interactions de l'hydrogène avec la microstructure complexe de ces aciers martensitiques renforcent encore les défis de l'atténuation de la FPH. Par conséquent, le but de la recherche actuelle est de développer une meilleure compréhension de la sensibilité et des mécanismes de défaillance de la FPH de ces matériaux en étudiant les facteurs clés affectant leur fragilisation. Afin de mener à bien l'enquête, une approche mixte, basée sur des expériences et une modélisation numérique, a été adoptée.

Initialement, la sensibilité à la FPH des aciers martensitiques à haute résistance a été évaluée en utilisant la méthodologie conventionnelle de tests de flexion à vitesse de déformation lente. Un modèle d'analyse par éléments finis (AEF) de diffusion de l’hydrogène couplée aux contraintes, intégrée à un modèle de zone cohésive, a été développé pour simuler le test de FPH. Les principaux facteurs influençant la sensibilité des matériaux à la FPH ont été étudiés à l'aide du modèle, et l'estimation de la concentration critique d'hydrogène en tant que mesure de la sensibilité des matériaux a été démontrée.

Suite à la première étude, une nouvelle approche impliquant un test de fracture rapide en flexion en quatre points a été proposée pour évaluer la sensibilité et le mécanisme de la FPH. Une AEF de diffusion de l’hydrogène couplée aux contraintes a également été réalisée pour calculer les distributions de contraintes et les concentrations en hydrogène dans le domaine tout en simulant le test. Une description mécanistique fondée sur le mécanisme de décohésion assistée par l'hydrogène (« HEDE », en anglais) a été utilisée pour corroborer les données des tests mécaniques, et une compréhension fondamentale du rôle de la résistance, de la microstructure et de la plasticité influençant la sensibilité la FPH a également été présentée.

La différence de sensibilité pour deux aciers martensitiques trempés et revenus, avec un niveau de résistance et des caractéristiques microstructurales similaires, évalués à l'aide du test de FPH rapide, a été expliquée à l'aide de techniques avancées de caractérisation microstructurale, d’AEF et de nanoindentation. Dans cette étude, l’effet de la microstructure locale affectant la micromécanique de la fracture FPH des matériaux a été discuté.

Enfin, la diffusion de l'hydrogène le long des limites d'interface dans une microstructure martensitique typique a été étudiée à l'aide d’un modèle AEF fondé sur une partition de Voronoï. Dans cette étude, l'influence des joints de paquets et des joints de grains antérieurs d'austénite sur le flux de sortie et la concentration d'hydrogène a été étudiée. L’effet de l’austénite retenue dans la microstructure sur la diffusion de l'hydrogène a également été étudiée, et une compréhension globale des caractéristiques de diffusion de l'hydrogène dans une microstructure martensitique a été démontrée pour une meilleure prédiction de la fracture par la FPH.

Ainsi, la recherche actuelle fournit une compréhension fondamentale de la sensibilité à la FPH des aciers martensitiques ainsi que des informations mécanistiques, qui pourraient être déterminantes pour résoudre le problème de la FPH.