Modellazione dell'hydrogen embrittlement utilizzando la teoria Peridynamics

L’infragilimento causato dalla presenza dell'idrogeno (HE) è un fenomeno di primaria importanza che coinvolge vari ambiti ingegneristici, con significative implicazioni economiche. L'adozione dell'idrogeno come parte della transizione energetica verso un'economia a minor impatto ambientale potrebbe essere compromessa dalla necessità di risolvere i problemi legati alla degradazione dei materiali metallici con cui entra in contatto, tra cui la riduzione della duttilità e la transizione da frattura duttile a fragile che comporta fallimenti catastrofici per carichi inferiori a quelli nominali.Questa tesi si concentra sull'HE come processo catodico del fenomeno dello stress crack corrosion (SCC) nei materiali metallici, utilizzando la teoria della Peridynamics. Tale approccio innovativo, proposto da Silling nei primi anni 2000, consente di descrivere la propagazione delle cricche senza ricorrere a ulteriori criteri limitanti.In particolare, è introdotta e utilizzata la versione più semplice della PD, nota come PD Bond Based (PD-BB). Inoltre, è fornita un'introduzione agli aspetti teorici che regolano il fenomeno di diffusione dell'idrogeno e la conseguente degradazione delle proprietà meccaniche dei materiali.Successivamente è illustrato come sia possibile modellare in termini peridinamici utilizzando l’equazione PD del processo di diffusione termica. È presentato come sia possibile modellare la degradazione delle proprietà meccaniche dei materiali in presenza di idrogeno utilizzando la PD.Nonostante l’HE sia un fenomeno che combina aspetti meccanici e chimici, può essere analizzato separatamente. La propagazione delle cricche avviene istantaneamente rispetto al processo di diffusione dell'idrogeno. Pertanto, l'analisi dinamica è modellata come una serie di soluzioni statiche per la parte meccanica, mentre il processo di diffusione è descritto con l'Eulero esplicito.I provini sono discretizzati utilizzando due griglie sovrapposte di nodi di natura diversa, una per la parte meccanica e una per quella diffusiva. La griglia meccanica utilizza l'accoppiamento tra elementi FEM e PD, utilizzando l'analogia tra elemento asta e bond PD per modellare la propagazione delle cricche e il calcolo degli spostamenti, eliminando gli effetti di bordo e facilitando l'imposizione dei carichi o dei vincoli. La griglia utilizzata per il processo di diffusione è composta esclusivamente da nodi PD.Il primo modello studiato è una piastrina rettangolare sollecitata con modo-I, utilizzando un carico costante in termini di spostamento. Come prima cosa si parte da quanto disponibile in letteratura per modellare la diffusione guidata dalla concentrazione, con la sorgente di idrogeno rappresentata da una soluzione liquida che bagna le superfici della cricca.Successivamente, dopo aver analizzato l'effetto del carico e della temperatura sulla propagazione delle cricche e sulla diffusione dell'idrogeno, si presenta una prima, possibile, equazione per modellare il contributo dello stress idrostatico nella diffusione dell'idrogeno. Per confrontare i risultati con quelli presenti in letteratura relativi a materiali elastici lineari, è stato necessario utilizzare il meshatore di Patran per generare una mesh adeguata, alla quale è stato applicato un carico costante in termini di stress. I risultati ottenuti sono coerenti con la letteratura esistente, giustificando ulteriori studi per migliorare il modello. Dalle analisi è emersa la necessità di varie implementazioni, come l'adattività e l'utilizzo di versioni della PD, che contemplino la plasticità e rimuovano il vincolo del rapporto di Poisson fisso, oltre all’introduzione di eventuali accoppiamenti con altri fenomeni, come la diffusione termica.