The thesis addresses a critical aspect of the mechanical behavior of high-strength steel bars of lath martensitic microstructure, recently developed for highly demanding Civil Engineering applications related to Structural Integrity. The analyzed aspect was the bar steel resistance to fracture and to hydrogen-assisted cracking, i.e., crack growth under mechanical loading, in an inert medium and, in an aggressive environment, capable of steel embrittlement by hydrogen absorption. The research has focused on two complementary lines: experimental and theoretical.
The experiments involved fracture tests according to BS-8571 in both environments using pre-cracked SENT tensile specimens extracted from the bars. The tests carried out in the aggressive medium were made by adapting the strain measurement system involving conventional extensometry into the BS-8571, to a computerized video extensometry system. The main experimental results were the applied load – CMOD and the J-integral – CMOD for each crack size tested. The shape of these curves suggested the use of cohesive crack as a possible theoretical model for predicting them.
The theoretical prediction of the test curves from the Dugdale cohesive model required its application to the SENT specimens after previous determination of the crack faces displacement fields. The corresponding theoretical developments were carried out based on the Green’s function proposed by Chell and the reciprocity theorem reformulated by Rice for cracked Hookean solids, and that allowed obtaining the test curves as function of crack size and the cohesive strength of the steel, as a material constant. These predictions reproduce the tests results with the cohesive strength as unique freedom degree, which leads to its determination by simple fitting.
The comparison of cohesive strength values obtained for the inert medium and the aggressive environment allowed the quantitative assessment of the embrittlement effect, which causes a loss of cohesive strength exceeding 40%. This sensitivity to hydrogen embrittlement is perfectly consistent with the micromechanisms that produce it, namely HELP and HEDE, since the microscopic effects of both enhance the cohesive zone behavior. The HELP micromechanism localizes and intensifies plastic deformation, and the HEDE micromechanism reduces the local stress level required for this, favoring the loss of cohesion between the microstructural components.
RESUMEN
La tesis aborda un aspecto crítico del comportamiento mecánico de barras de acero de alta resistencia con microestructura martensítica de listones, recientemente desarrolladas para funciones de Ingeniería Civil muy comprometidas con la integridad estructural. El aspecto analizado es la resistencia del acero de las barras a la fractura y a la fisuración asistida por hidrógeno, es decir al crecimiento de fisuras por carga mecánica, tanto en ambiente inerte como en ambiente agresivo, capaz de fragilizar al acero por absorción de hidrógeno. La investigación se ha centrado en 2 vías complementarias, experimental y teórica respectivamente.
Los experimentos han consistido en la realización de ensayos de fisuración según la norma BS-8571 en ambos ambientes con probetas de tracción de configuración SENT extraídas de las barras y prefisuradas. Los ensayos realizados en ambiente fragilizante han sido posibles mediante la adaptación del sistema de medida de deformaciones con extensometría convencional de la norma a un sistema de vídeo-extensometría computarizada. Los experimentos han propiciado la obtención de las curvas que relacionan la carga aplicada y la integral J con el CMOD para cada tamaño de fisura ensayado. La forma de estas curvas ha sugerido el uso de la fisura cohesiva como posible modelo teórico capaz de predecirlas.
La predicción teórica de las curvas de ensayo a partir del modelo cohesivo de Dugdale ha requerido la aplicación del modelo a las probetas SENT previa determinación de los campos de desplazamiento de las caras de la fisura in-volucrados. Los desarrollos teóricos correspondientes se han realizado a partir de la función de Green propuesta por Chell y del teorema de reciprocidad reformulado por Rice para sólidos hookeanos fisurados, y han permitido deducir las curvas buscadas en función del tamaño de fisura y de la resistencia cohesiva del acero, como constante del material. Estas predicciones reproducen los resultados de los ensayos con la resistencia cohesiva como único grado de libertad, lo que conduce a su determinación por ajuste simple.
La comparación de los valores de la resistencia cohesiva obtenidos para ambiente inerte y para ambiente fragilizante han permitido valorar cuantitativamente el efecto de la fragilización, que causa una pérdida de resistencia cohesiva superior al 40%. La sensibilidad de esta magnitud a la fragilización por hidrógeno es perfectamente consistente con los micromecanismos que la producen, HELP y HEDE, por cuanto los efectos microscópicos de ambos contribuyen a potenciar el comportamiento de la zona cohesiva. El micromecanismo HELP localiza e intensifica la deformación plástica, y el micromecanismo HEDE reduce el nivel tensional local necesario para ello, favoreciendo la pérdida de cohesión entre los componentes microestructurales.
The thesis addresses a critical aspect of the mechanical behavior of high-strength steel bars of lath martensitic microstructure, recently developed for highly demanding Civil Engineering applications related to Structural Integrity. The analyzed aspect was the bar steel resistance to fracture and to hydrogen-assisted cracking, i.e., crack growth under mechanical loading, in an inert medium and, in an aggressive environment, capable of steel embrittlement by hydrogen absorption. The research has focused on two complementary lines: experimental and theoretical.
The experiments involved fracture tests according to BS-8571 in both environments using pre-cracked SENT tensile specimens extracted from the bars. The tests carried out in the aggressive medium were made by adapting the strain measurement system involving conventional extensometry into the BS-8571, to a computerized video extensometry system. The main experimental results were the applied load – CMOD and the J-integral – CMOD for each crack size tested. The shape of these curves suggested the use of cohesive crack as a possible theoretical model for predicting them.
The theoretical prediction of the test curves from the Dugdale cohesive model required its application to the SENT specimens after previous determination of the crack faces displacement fields. The corresponding theoretical developments were carried out based on the Green’s function proposed by Chell and the reciprocity theorem reformulated by Rice for cracked Hookean solids, and that allowed obtaining the test curves as function of crack size and the cohesive strength of the steel, as a material constant. These predictions reproduce the tests results with the cohesive strength as unique freedom degree, which leads to its determination by simple fitting.
The comparison of cohesive strength values obtained for the inert medium and the aggressive environment allowed the quantitative assessment of the embrittlement effect, which causes a loss of cohesive strength exceeding 40%. This sensitivity to hydrogen embrittlement is perfectly consistent with the micromechanisms that produce it, namely HELP and HEDE, since the microscopic effects of both enhance the cohesive zone behavior. The HELP micromechanism localizes and intensifies plastic deformation, and the HEDE micromechanism reduces the local stress level required for this, favoring the loss of cohesion between the microstructural components.
RESUMEN
La tesis aborda un aspecto crítico del comportamiento mecánico de barras de acero de alta resistencia con microestructura martensítica de listones, recientemente desarrolladas para funciones de Ingeniería Civil muy comprometidas con la integridad estructural. El aspecto analizado es la resistencia del acero de las barras a la fractura y a la fisuración asistida por hidrógeno, es decir al crecimiento de fisuras por carga mecánica, tanto en ambiente inerte como en ambiente agresivo, capaz de fragilizar al acero por absorción de hidrógeno. La investigación se ha centrado en 2 vías complementarias, experimental y teórica respectivamente.
Los experimentos han consistido en la realización de ensayos de fisuración según la norma BS-8571 en ambos ambientes con probetas de tracción de configuración SENT extraídas de las barras y prefisuradas. Los ensayos realizados en ambiente fragilizante han sido posibles mediante la adaptación del sistema de medida de deformaciones con extensometría convencional de la norma a un sistema de vídeo-extensometría computarizada. Los experimentos han propiciado la obtención de las curvas que relacionan la carga aplicada y la integral J con el CMOD para cada tamaño de fisura ensayado. La forma de estas curvas ha sugerido el uso de la fisura cohesiva como posible modelo teórico capaz de predecirlas.
La predicción teórica de las curvas de ensayo a partir del modelo cohesivo de Dugdale ha requerido la aplicación del modelo a las probetas SENT previa determinación de los campos de desplazamiento de las caras de la fisura in-volucrados. Los desarrollos teóricos correspondientes se han realizado a partir de la función de Green propuesta por Chell y del teorema de reciprocidad reformulado por Rice para sólidos hookeanos fisurados, y han permitido deducir las curvas buscadas en función del tamaño de fisura y de la resistencia cohesiva del acero, como constante del material. Estas predicciones reproducen los resultados de los ensayos con la resistencia cohesiva como único grado de libertad, lo que conduce a su determinación por ajuste simple.
La comparación de los valores de la resistencia cohesiva obtenidos para ambiente inerte y para ambiente fragilizante han permitido valorar cuantitativamente el efecto de la fragilización, que causa una pérdida de resistencia cohesiva superior al 40%. La sensibilidad de esta magnitud a la fragilización por hidrógeno es perfectamente consistente con los micromecanismos que la producen, HELP y HEDE, por cuanto los efectos microscópicos de ambos contribuyen a potenciar el comportamiento de la zona cohesiva. El micromecanismo HELP localiza e intensifica la deformación plástica, y el micromecanismo HEDE reduce el nivel tensional local necesario para ello, favoreciendo la pérdida de cohesión entre los componentes microestructurales. Read More
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