Verso la comprensione dell’infragilimento da idrogeno di una superlega metallica a base di nichel mediante fatica a basso numero di cicli

Nickel-based superalloys are a class of materials widely used in a variety of high-performance applications, including the aerospace and power generation industries. These materials are characterized by their excellent strength, high-temperature resistance, and corrosion resistance. Heat treatment is often used to improve the mechanical properties of nickel-based superalloys. This involves exposing the material to high temperatures to promote precipitation and control the size and distribution of microstructural defects. However, they are also susceptible to hydrogen embrittlement, which can significantly reduce their mechanical properties and increase the risk of failure. Hydrogen diffuses into metals through various mechanisms, including hydride-induced embrittlement, hydrogen-enhanced decohesion (HEDE), hydrogen-enhanced localised plasticity (HELP), adsorption induced dislocation emission (AIDE), and hydrogen-vacancy interactions. These mechanisms can cause significant reductions in the mechanical properties of the material, particularly in high-stress regions. Low cycle fatigue is a critical issue in engineering design and it is the cause of many structural failures. This type of fatigue is characterized by a repeated sequence of loading and unloading cycles, leading to crack initiation and propagation. The aim of this thesis is to investigate the effects of hydrogen on the low cycle fatigue behaviour of a nickel-based superalloy. This research work consists of 4 main chapters with all the necessary information to understand the topic of the thesis and other 2 chapters with the results obtained from the experimental tests conducted on the different specimens. Chapter 1 is dedicated to the properties of the material, essential for understanding how hydrogen can induce the formation of microstructural defects (Chapter 2). The studies continue in Chapter 3 with the explanation of parameters that have been observed during the fatigue tests. Chapter 4 begins with the sample preparation process described in details and ends with a microstructural analysis and micro-hardness tests. The introduction of hydrogen into the material was carried out through cathodic loading, a method explained in detail in Chapter 5. The last step includes fatigue tests carried out on two types of samples heat-treated in different ways; the results were compared so that hydrogen embrittlement could be quantified. A final discussion ends the research, where the significant effect of hydrogen on the fatigue behaviour of the alloy is highlighted, and suggests further investigations to prevent failure in critical applications.

Le superleghe a base di nickel sono una classe di materiali largamente utilizzata in molte applicazioni ad alte prestazioni, come l'industria aerospaziale e quella energetica. Questi materiali sono caratterizzati da un’eccellente forza, elevata resistenza alle alte temperature e resistenza alla corrosione. Il trattamento termico viene spesso utilizzato per migliorare le proprietà meccaniche delle superleghe a base di nichel. Ciò implica l'esposizione del materiale a temperature elevate per promuovere la precipitazione e controllare la dimensione e la distribuzione di difetti microstrutturali. Tuttavia, sono anche suscettibili all'infragilimento da idrogeno, che può ridurre significativamente le loro proprietà meccaniche e aumentare il rischio di rottura. L'idrogeno diffonde nei metalli attraverso vari meccanismi, tra cui l'infragilimento indotto da idruri, la decoesione potenziata dall'idrogeno (HEDE), la plasticità locale potenziata dall'idrogeno (HELP), l'emissione di dislocazioni indotta dall'adsorbimento (AIDE) e le interazioni idrogeno-vacanza. Questi meccanismi possono causare riduzioni significative delle proprietà meccaniche del materiale, soprattutto in regioni ad alta concentrazione di tensione. La fatica a basso numero di cicli è un problema critico nella progettazione ingegneristica e causa di molti cedimenti strutturali. Questo tipo di fatica è caratterizzato da una sequenza ripetuta di cicli di carico e scarico, che porta alla nucleazione e alla propagazione della cricca. L’obiettivo di questa tesi è studiare gli effetti dell'idrogeno sul comportamento a fatica di una superlega a base di nichel. Questo lavoro di ricerca consiste in 4 capitoli con tutte le informazioni necessarie per comprendere l'argomento della tesi e altri 2 capitoli con i risultati ottenuti dai test sperimentali effettuati su campioni differenti. Il Capitolo 1 è dedicato alle proprietà del materiale, essenziali per comprendere come l'idrogeno possa indurre la formazione di difetti microstrutturali (Capitolo 2). Gli studi continuano nel Capitolo 3 con la spiegazione dei parametri che sono stati osservati durante i test di fatica. Il Capitolo 4 inizia con la descrizione dettagliata del processo di preparazione dei campioni e si conclude con un'analisi microstrutturale e vari test di micro-durezza. L'introduzione dell'idrogeno nel materiale è stata effettuata attraverso caricamento catodico, un metodo spiegato in dettaglio nel Capitolo 5. L'ultimo passo include i test di fatica eseguiti su due tipi di campioni trattati termicamente in modo diverso, i cui risultati sono stati messi a confronto per poter quantificare l’effetto dell’infragilimento da idrogeno. La ricerca termina con un ragionamento finale che, evidenziando l'effetto significativo dell'idrogeno sul comportamento di fatica della lega, suggerisce ulteriori indagini per prevenire eventuali cedimenti in applicazioni critiche.