Tek Kristallerde Hidrojen Gevrekleşmesinin Sayısal Modellenmesi

Abstract

Hidrojen gevrekleşmesi (HE), özellikle yüksek performanslı alaşımlarda, mikroskobik ölçekte hidrojen ile kristal kusurlarının etkileşimi sonucu oluşan erken kırılmalar nedeniyle, metalik yapıların bütünlüğünü tehdit eden önemli bir bozulma mekanizmasıdır. Bu tezde, tek kristal metallerde HE'yi modellemek amacıyla, sonlu şekil değiştirme kristal plastikliği ile varyasyonel faz alanı kırık kuramı birleştirilerek sayısal bir çerçeve sunulmaktadır. Tezin kuramsal temeli; sonlu deformasyon kinematiği, çarpanlı ayrıştırmaya dayalı kristal plastikliği ve hidrojenin difüzyonu ile tutulmasını tanımlayan fenomenolojik yaklaşımları içermektedir. Bu temele dayanarak geliştirilen model, anizotropik plastik şekil değişimi ile hidrojen kaynaklı kırığı termodinamik tutarlılıkla birlikte ele almaktadır. Toplam serbest enerji fonksiyoneli elastik, plastik ve kırık katkılarını içerir; kırık evrimi ise mekanik iş ve plastik deformasyonla ilişkili bir birikim değişkeniyle yönlendirilir. Elastik ve akma gerilmelerine uygulanan indirgeme işlevleri, sünek hasarı temsil eder. Çekme ve kayma yükleri altındaki tek kristal numunelerde yapılan sayısal simülasyonlar, hidrojen derişimi, kristal yönelimi ve içsel uzunluk ölçeğinin çatlak oluşumu ve evrimi üzerindeki etkilerini ortaya koymaktadır. Ağ inceliği ve eşik duyarlılık analizleri, modelin kararlılığını doğrulamaktadır. Bu çerçeve, hidrojen etkisindeki kristallerde mikroyapısal kayma etkinliği ile makroskobik kırık davranışı arasındaki ilişkiyi modelleyerek, polikristal yapılar ve tane sınırı etkileri gibi daha karmaşık sistemlere yönelik çalışmalara sağlam bir temel sunmaktadır.Hydrogen embrittlement (HE) poses a significant threat to the structural reliability of metallic components, particularly in high performance alloys where hydrogen interactions at the microscale can lead to premature failure. This thesis introduces a computational framework to model HE in single crystal metals by coupling finite strain crystal plasticity with variational phase field fracture theory. The theoretical groundwork includes finite deformation kinematics, thermomechanical crystal plasticity with multiplicative decomposition, and a phenomenological treatment of hydrogen diffusion and trapping. A fully coupled, thermodynamically consistent model is developed, integrating anisotropic plasticity and hydrogen induced fracture through a variational phase field approach. The fracture process is governed by a total free energy functional, incorporating elastic, plastic, and fracture contributions. Selective degradation of elastic and yield stresses captures ductile hydrogen damage, while an accumulation variable dependent on mechanical work and plasticity drives crack evolution. Numerical simulations on single crystal specimens under tensile and shear loading demonstrate the model's capabilities. The results reveal how hydrogen concentration, crystallographic orientation, and internal length scale influence crack initiation, propagation, deflection, and bifurcation. Mesh sensitivity and threshold studies confirm numerical robustness. This framework provides a predictive tool for exploring the interplay between microstructural slip activity and macroscopic fracture in hydrogen affected crystals. It establishes a foundation for extending to polycrystalline systems, grain boundary phenomena, and multiscale modeling of hydrogen sensitive materials.