Numerical modeling of hydrogen embrittlement on single crystals
Tek kristallerde hidrojen gevrekleşmesinin sayısal modellenmesi
- Tez No: 983924
- Danışmanlar: PROF. DR. ÖZGÜR ASLAN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Hidrojen gevrekliği, Hydrogen embrittlement
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Atılım Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
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.
Özet (Çeviri)
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.
Benzer Tezler
- Investigation of hydrogen embrittlement by a multi-scale modelling approach
Hidrojen gevrekliğinin çok ölçekli modelleme yaklaşımıyla incelenmesi
MEHMET FAZIL KAPÇI
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Makine MühendisliğiAbdullah Gül Üniversitesiİleri Malzemeler ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BURAK BAL
- Investigation of hydrogen production from the catalytic dehydrogenation of solid hydrogen storage materials through experimental and modeling studies
Katı hidrojen depolama malzemelerinin katalitik dehidrojenlenmesi yoluyla hidrojen üretiminin modellenmesi ve deneysel incelenmesi
CEREN ALPAYDIN
Doktora
İngilizce
2021
EnerjiDokuz Eylül ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CAN ÖZGÜR ÇOLPAN
- PEM yakıt hücresi destekli kojenerasyon sisteminin nümerik modellenmesi ve termoekonomik optimizasyonu
Numerical modeling and thermoeconomic optimization of PEM fuel cell assited cogeneration system
ÖMER FARUK GÜLER
Doktora
Türkçe
2022
Makine MühendisliğiAfyon Kocatepe ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. CEYHUN YILMAZ
- PEM elektrolizörün sayısal modellemesi ve deneysel doğrulanması
Numerical modeling and experimental validation of PEM electrolyzer
SAFİYE NUR ÖZDEMİR
- Karadeniz'de gaz hidrat barındıran sedimanlarda sıcaklık ve akışkan akışının modellenmesi
Numerical modeling of fluid flow and heat flow in gas hydrate bearing sediments in Black Sea
BAHAR GÜVEM
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Jeofizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiJeofizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. DOĞA DOĞAN