A finite element analysis is proposed to study the effect of specimen dimensions on lateral diffusion of hydrogen during hydrogen permeation flux measurements. The error of measurement on thick specimens because of 1D diffusion approximation may be as much as 70%. A critical condition for accurate measurements is to designate the area of hydrogen monitoring/exit surface smaller than the area of hydrogen charging/entry surface. For thin to medium thickness specimens (ratio of thickness to specimen radius of 5:10 and below), the charging surface should be maximized and the monitoring surface should be minimized. In case of relatively thick specimens (ratio of thickness to specimen radius above of 5:10), use of a hydrogen-diffusion barrier on the specimen boundaries is recommended. It would completely eliminate lateral losses of hydrogen, but cannot eliminate the deviation towards 2D diffusion near the side edges. In such a case, the charging surface should be maximized and the monitoring surface should be as closer in dimension as the charging surface. A regression analysis was carried out and an analytical relationship between the maximum measurement error and the specimen dimensions is proposed.
Journal of the Korean Society of Mechanical Technology
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v.13
no.2
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pp.115-121
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2011
The size of hydrogen molecule is not so small as to invade into the lattice of material, and therefore, hydrogen invades into the material as atom. Hydrogen movement is done by diffusion or dislocation movement in the near crack tip or plastic deformation. Hydrogen appeared to have many effects on the mechanical properties of the Cr-Mo steel alloys. The materials for this study are 1.25Cr-0.5Mo and 2.25Cr-1Mo steels used at high temperature and pressure. The hydrogen amount obtained by theoretical calculation was almost same with the result solved by finite element analysis. The distribution of hydrogen concentration and average concentration was calculated for a flat specimen. Also, finite element analysis was employed to simulate the redistribution of hydrogen due to stress gradient. The calculation of hydrogen concentration diffused into the material by finite element method will provide the basis for the prediction of delayed fracture of notched specimen. The distribution of hydrogen concentration invaded into the smooth and notched specimen was obtained by finite element analysis. The hydrogen amount is much in smooth specimen and tends to concentrate in the vicinity of surface. Hydrogen embrittlement susceptibility of notched specimen after hydrogen charging is more remarkable than that of smooth specimen.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.28
no.2
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pp.189-195
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2004
The pressure tubes, which contain high temperature heavy water and fuel, are within the core of a CANDU nuclear reactor, and are thus subjected to high stresses, temperature gradient, and neutron flux. Further, it is well known that pressure tubes of cold-worked Zr-2.5Nb materials result in hydrogen diffusion, which create fully-hydrided regions (frequently called Blister). Thus a proper investigation of hydrogen diffusion within zirconium-alloy nuclear components, such as CANDU pressure tube and fuel channels is essential to predict the structural integrity of these components. In this respect, this paper presents numerical investigation of hydrogen diffusion to quantify the hydrogen concentration fur blister growth of CANDU pressure tube. For this purpose, coupled temperature-hydrogen diffusion analyses are performed by means of two-dimensional finite element analysis. Comparison of predicted temperature field and blister with published test data shows good agreement.
Park, Jin-seong;Hwang, Eun Hye;Lee, Man Jae;Kim, Sung Jin
Corrosion Science and Technology
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v.17
no.5
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pp.242-248
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2018
Martensitic high-strength steels revealed superior mechanical properties of high tensile strength exceeding 1000 Mpa, and have been applied in a variety of industries. When the steels are exposed to corrosive environments, however, they are susceptible to hydrogen embrittlement (HE), resulting in catastrophic cracking failure. To improve resistance to HE, it is crucial to obtain significant insight into the exact physical nature associated with hydrogen diffusion behavior in the steel. For martensitic steels, tempering condition should be adjusted carefully to improve toughness. The tempering process involves microstructural modifications, that provide changes in hydrogen diffusion/trapping behavior in the steels. From this perspective, this study examined the relationship between tempering condition and hydrogen diffusion behavior in the steels. Results based on glycerin measurements and hydrogen permeation evaluations indicated that hydrogen diffusion/trapping behavior was strongly affected by the characteristics of precipitates, as well as by metallurgical defects such as dislocation. Tempering condition should be adjusted properly by considering required mechanical properties and resistance to HE.
Hydrogen assisted cracking (HAC) is one of the most complicated problem in welding. Huge amount of studies have been done for decades. Based on them, various standards have been established to avoid HAC. But it is still a chronic problem in industrial field. It is well known that the main causes of the hydrogen crack are residual stress, crack susceptible micro structures and a certain critical level of hydrogen concentration. Even though the exact generating mechanism is unclear till today, it has been reported that the hydrogen level in the weld metal should be managed less than a certain amount to prevent it. Matsuda studied that the residual hydrogen level in the weld metal can be varied even if the initial hydrogen content is same. It is also insisted in this report that the residual hydrogen concentration is in stronger correlation with hydrogen crack than the initial hydrogen content. But, in practical point of view, the residual hydrogen is still hard to consider because measuring hydrogen level is time and cost consuming process. In this regard, numerical analysis is the only solution for considering the residual hydrogen content. Meanwhile, Takahashi showed the possibility of predicting the residual hydrogen by a rigorous FE analysis. But, few commercial software suitable for solving the weld metal hydrogen has been reported yet. In this study, two dimensional thermal - hydrogen coupled analysis was developed by using the commercial FE software MARC. Since the governing equation of the hydrogen diffusion is similar to the heat transfer, it is shown that the heat transfer FE analysis in association with hydrogen diffusion property can be used for hydrogen diffusion analysis. A series of simulation was performed to verify the accuracy of the model. For BOP (Bead-On-Plate) and the multi-pass butt welding simulations, remaining hydrogen contents in the weld metal is well matched with measurements which are referred from Kim and Masamitsu.
The pressure tubes, which contain high temperature heavy water and fuel, are within the core of a CANDU nuclear reactor, and are thus subjected to high stresses, temperature gradient, and neutron flux. Further, it is well known that pressure tubes of cold-worked Zr-2.5Nb materials result in hydrogen diffusion, which create fully-hydrided regions (frequently called Blister). Thus a proper investigation of hydrogen diffusion within zirconium-alloy nuclear components, such as CANDU pressure tube and fuel channels is essential to predict the structural integrity of these components. In this respect, this paper presents numerical investigation of hydrogen diffusion to quantify the hydrogen concentration for blister growth of CANDU pressure tube. For this purpose, coupled temperature-hydrogen diffusion analyses are performed by means of two-dimensional finite element analysis. Comparison of predicted temperature field and blister with published test data shows good agreement.
In the present study, the diffusion process of hydrogen leaking from a FCV (Fuel Cell Vehicle) in an underground parking lot was analyzed by numerical simulations in order to assess the risk of a leakage accident. The temporal and spatial changes of the hydrogen concentration as well as the flammable region in the parking lot were predicted numerically. The effects of the leakage flow rate and an additional ventilation fan were investigated to evaluate the ventilation performance in the parking lot to relieve the accumulation of the leaked hydrogen gas. The present numerical analysis can provide useful information such as the distribution of the leaked hydrogen concentration for safety of various hydrogen applications.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.37
no.4
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pp.267-274
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2024
Hydrogen embrittlement fracture poses a challenge in ensuring the structural integrity of materials exposed to hydrogen-rich environments. This study advances our comprehension of hydrogen-induced fracture through an integrated numerical modeling approach. In addition, it employs a ductile fracture model named the Gurson-cohesive model (GCM) and hydrogen diffusion analysis. GCM is employed as a fracture model that combines the Gurson model to illustrate the continuum damage evolution and the cohesive zone model to describe crack surface discontinuity and softening behavior. Moreover, porosity and stress triaxiality are considered as crack initiation criteria . A hydrogen diffusion analysis is also integrated with the GCM to account for hydrogen enhanced decohesion (HEDE) mechanisms and their subsequent impacts on crack initiation and propagation. This framework considers the influence of hydrogen on the softening behavior of the traction-separation relationship on the discontinuous crack surface. Parametric studies explore the sensitivity to diffusion properties and hydrogen-induced fracture properties. By combining numerical models of hydrogen diffusion and the ductile fracture model, this study provides an understanding of hydrogen-induced fracture and thereby contributes significantly to the ongoing efforts to design materials that are resilient to hydrogen embrittlement in practical engineering applications.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.34
no.6
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pp.709-715
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2010
The coupled model with hydrogen transport and elasto-plasticity behavior was introduced. In this paper, the effective factor of the hydrogen diffusion equation has been described. To assess the effective factor, finite element (FE) analyses including hydrogen transport and mechanical loading for boundary layer specimens with low-strength steel properties are carried out. The results of the FE analyses are compared with those from previous studies conducted by Taha and Sofronis (2001).
Transactions of the Korean Society of Pressure Vessels and Piping
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v.19
no.2
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pp.117-129
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2023
Hydrogen embrittlement of a pipe is an important factor in hydrogen transport. To characterize hydrogen embrittlement, tensile and fracture toughness tests should be conducted. However, in the case of hydrogen-embrittled materials, it is difficult to perform tests in hydrogen environment, particularly at low temperatures. It would be useful to develop a methodology to predict the fracture toughness of hydrogen-embrittled materials at low temperatures using more efficient tests. In this study, the fracture toughness of API X52 steels in hydrogen at low temperatures is predicted from numerical simulation using coupled finite element (FE) damage analyses with FE diffusion analysis, calibrated by analyzing small punch test data.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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