Hydrogen Effects on Austenitic Stainless Steels and High-Strength Carbon Steels

Abstract

The resistance to hydrogen embrittlement is an important factor in the development of new steel grades for a variety of applications. The thesis describes investigations on hydrogen effects on two classes of steels - austenitic stainless steels and advanced high-strength carbon steels. Hydrogen solubility and diffusion in metastable austenitic stainless steels are studied with thermal desorption spectroscopy (TDS). This method, together with the mathematical modeling of the processes of hydrogen uptake and desorption, allows to analyse hydrogen diffusion and trapping in a metal. Temperature dependencies of hydrogen desorption for the studied steels manifest a complex peak. Specific features of hydrogen uptake and desorption for a multi-component alloy in comparison with that for pure metals are analysed by the proposed model. It was found that plastic strain affects the shape of the TDS peak for all the studied materials. In metastable austenitic stainless steels the parameters of hydrogen diffusion and trapping in martensite phase, which is forming under pre-straining, were estimated by the proposed model. High-strength carbon steels of the strength level from 1000 to 1400 MPa with different contents of Ti were studied. It was found that there is an optimal content and size distribution of Ti-based non-metallic inclusions (NMI) when the steel is most resistant to hydrogen embrittlement. Fractography of the studied steels shows that the fracture mechanism depends on the chemical composition of the studied steels and hydrogen-induced cracking exhibits intergranular or transgranular character occurring often in the form of hydrogen flakes. It was found that hydrogen-induced cracks of the hydrogen flakes initiate at Ti-based NMIs. TDS analysis evidences that the main trapping sites for hydrogen in the high-strength carbon steels are NMI interfaces. The mechanisms of hydrogen interaction with NMIs are discussed. All the studied high-strength carbon steels are sensitive to hydrogen under slow strain rate tensile tests. Constant load tests show that different processes influence on hydrogen-induced fracture at low and high applied stresses for the high-strength carbon steels with high Ti-alloying. Tempered high-strength carbon steels are less sensitive to hydrogen embrittlement than their non-tempered counterparts.

Vetyhaurauden estäminen on tärkeää erilaisten uusien terästen suunnittelussa ja kehityksessä. Väitöskirjassa esitetään vedyn vaikutuksen tutkimustulokset kahdella terästyypillä: austeniittisilla ruostumattomilla teräksillä ja ultra-lujilla hiiliteräksillä. Vedyn liukoisuutta ja diffuusiota metastabiileissa austeniittisissa ruostumattomissa teräksissä tutkittiin termisen desorption spektroskopian (TDS) avulla. Tällä menetelmällä voidaan analysoida vedyn diffuusiota ja loukkuuntumista metalleissa käyttäen matemaattista mallinnusta. TDS käyrissä esiintyy monimutkainen piikki kaikilla tutkituilla teräksillä. Vedyn loukkuuntumista ja desorptiota on verrattu monikomponenttisissa seoksissa ja puhtaissa metalleissa ja analysoitu kehitetyn mallin mukaan. Todettiin, että plastinen deformaatio vaikuttaa TDS piikin muotoon kaikilla tutkituilla teräksillä. Martensiitin kiderakenteen vaikutukset vedyn diffuusioon ja loukkuuntumiseen on arvioitu metastabiileissa austeniittisissa ruostumattomissa teräksissä, joissa martensiitti muodostuu plastisessa deformaatiossa. Väitöskirjassa tutkittiin myös ultra-lujia hiiliteräksiä lujuusluokassa 1000...1400 MPa varioimalla titaani-seostusta. Tulosten perusteella todettiin, että on optimaalinen TiN(C) partikkelien määrä ja kokojakauma, jolloin teräs kestää parhaiten vetyhaurautta.Tutkittujen terästen murtopintatutkimus osoitti, että murtumismekanismi riippuu teräksen kemiallisesta koostumuksesta. Vedyn aiheuttama murtuma voi esiintyä raerajamurtumana, rakeiden läpi etenevänä murtumana tai vetyläikkinä, jotka ydintyvät epämetallista partikkeleista ja ovat aina rakeiden läpi eteneviä murtumia. Vetyläikät ydintyvät yleensä TiN(C) epämetallisista partikkeleista. TDS analyysi vahvisti, että ultra-lujissa hiiliteräksissä tärkeimpiä vedyn loukkuuntumispaikkoja ovat näiden partikkelien pinnat. Vedyn ja epämetallisten partikkeleiden vuorovaikutuksen mekanismeja arvioidaan. Kaikki hidasvetokokeissa tutkitut ultra-lujat hiiliteräkset ovat alttiita vedyn vaikutukselle. Vakio jännityksen alaisena tehdyt kokeet osoittivat, että eri mekanismit vaikuttavat vedyn aiheuttamaan murtumiseen matalilla ja korkeilla jännityksillä kaikissa ultra-lujissa hiiliteräksissä, joissa on korkea Ti pitoisuus. Lämpökäsitellyt päästetyt ultra-lujat hiiliteräkset ovat vähemmän alttiita vetyhaurauteen kuin lämpökäsittele-mättömät sammutetut teräkset.