Hembara N. Mathematical modelling of the dual effect of hydrogen on the residual durability of structural elements

Українська версія

Thesis for the degree of Doctor of Philosophy (PhD)

State registration number

0825U000322

Thesis Registration Form

0825U000322.pdf

Applicant for

Specialization

  • 113 - Прикладна математика

16-03-2023

Specialized Academic Board

PhD 4

Physico-Mechanical Institute named after GV Karpenko of the National Academy of Sciences of Ukraine

Essay

Despite the fact that a large volume of information is devoted to the problem of the influence of hydrogen on the mechanical properties and resistance to destruction of structural steels and alloys in the world and domestic literature, this issue still remains incompletely studied. This is due to the fact that the influence of hydrogen on the mechanical behavior of structural materials is multifaceted, and several mechanisms can be implemented simultaneously or independently. On the basis of the critical analysis and synthesis of experimental and theoretical studies, the multifaceted influence of hydrogen on the mechanical behavior and strength of structural materials with the implementation of its several mechanisms simultaneously or independently is shown. In particular, for steels, depending on the hydrogen concentration, two hydrogen mechanisms can simultaneously operate in the metal: hydrogen-induced increased decohesion (embrittlement) and hydrogen-induced increased local plasticity. The coexistence of different mechanisms of hydrogen influence on deformation and their simultaneous action in steels is still not sufficiently investigated. Establishing a dominant mechanism is an extremely difficult and urgent problem. Existing models and hypotheses about the mechanisms of hydrogen's influence on the mechanical behavior of metals explain, as a rule, its embrittlement effect. Therefore, the actual task and goal of my dissertation work is the mathematical modeling of the duality of hydrogen's influence on the mechanical properties of metal structural elements and their residual durability. The object of research is hydrogen degradation of materials and subcritical growth of cracks in structural elements under the action of a hydrogen-containing environment. The subject of the research is mathematical models and methods for predicting the strength and durability of structural elements under the dual action of hydrogen. The paper formulates a new calculation model of hydrogen-induced crack growth in metals under the action of static load, which is based on modern physical and mechanical theories of their deformation and destruction. On this basis, a method of assessing the residual durability of structural elements with cracks was developed, taking into account the mechanisms of hydrogen influence on metal deformation. In particular, a mathematical model of hydrogen diffusion in a piecewise heterogeneous body in a three-dimensional setting was constructed; an algorithm and corresponding numerical programs were developed for calculating the distribution of hydrogen concentration in the entire volume of three-dimensional bodies, taking into account the effect of force and temperature factors. A certificate of copyright registration for the work №107646 was obtained for the developed program for calculating the concentration of hydrogen in volumetric elements of structures under the action of force loads "DIFEUS 3D".

Read more

Research papers

1. Andreykiv O., Hembara N.T. A mathematical model for the determination of hydrogen concentration corresponding to changes in the mechanism of deformation. Journal of Mathematical Science. 2022. 263, No 1. P. 15–24.

2. Wei M., Chepil O.Y., Hembara N.T. Computer modeling of the influence of hydrogenation on the durability of pipe elements. Materials Science. 2021. 57, 1. Р. 128–134.

3. The energy approach to the evaluation of hydrogen effect on the damage accumulation / Ya. Ivanytskyi, Ye. Kharchenko, O. Hembara, O. Chepil, Ya. Sapuzhak, N. Hembara. Procedia Structural Integrity. 2019. 16. P. 126–133.

4. O.V. Hembara, O.Ya. Chepil and N.T. Hembara Influence of the parameters of discretization on the accuracy of numerical solution of the three-dimensional problem of hydrogen diffusion. Materials science. 2016. 52, № 2. P. 280–286.

5. Андрейків О.Є., Гембара Н.Т. Моделювання впливу водню на пластичне деформування металів. Фізико-хімічна механіка матеріалів. 2021. № 6. С. 23–29.

6. Андрейків О.Є., Гембара Н.Т. Математична модель ви¬зна¬чен¬ня концен¬трації водню, за якої відбувається зміна механізму деформування. Мате¬матичні методи та фізико-механічні поля. 2019. 62, № 3. С. 19–25.

7. Mathematical Modeling of Aging Processes of Pipeline Materials and Estimation of their Residual Lifetime / Oleksandr Andreykiv, Iryna Dolinska, Nazar Hembara, Orest Svirchevskyi, Miroslav Kopnický, Zuzana Budayová. Published in: 2022 12th International Conference on Advanced Computer Information Technologies (ACIT), 26–28 September 2022 IEEE, Ruzomberok, Slovakia. Р. 80–83.

8. Hembara N. Possibilities of using the plasticizing effect of hydrogen. Materials Science and Surface Engineering (MSSE-2021) Proceedings. 2021. P. 120–123.

9. Гембара О., Чепіль О., Гембара Н., Гриненко М. Математичне моделю¬вання впливу експлуатаційних чинників на довговічність теплообмінних труб парагенератора. 15-й Міжнародний симпозіум українських інженерів-механіків у Львові: матеріали симпозіуму. Львів, 20–21 травня 2021 р. 2021. С. 27–29.

10. Сапужак Ярослав, Гембара Назар, Гриненко Михайло Моделювання нагромадження пошкодження в металі за енергетичним підходом. Конференція молодих учених «Підстригачівські читання –2020», м. Львів, 26-28 травня 2020. 2 с. http://www.iapmm.lviv.ua/chyt2020/abstracts/Hrynen-ko.pdf

11. Андрейків О., Гембара Н. Моделювання впливу границь зерен на дифузії водню. Математичні проблеми механіки неоднорідних структур: зб. наук. праць 10-ї Міжнародної наукової конференції / за заг. ред. Р.М. Кушніра та Г.С. Кіта. Львів: Інститут прикладних проблем механіки і математики ім. Я.С. Підстригача НАН України, 2019. Вип. 5. С. 17–19.

12. Сапужак Я.І., Гембара Н.Т. Оцінка впливу водню на нагромадження пошкодження в металі за повзучості. Конференція молодих науковців і спе¬ціалістів Фізико-механічного інституту ім. Г.В. Карпенка НАН України: XXVI відкрита наук.-техн. конф., 25–27 вересня 2019 р.: матеріали. Львів, ФМІ, 2019. С. 41–42

13. Гембара О.В., Сапужак Я.І., Гембара Н.Т. Методика продовження терміну експлуатації обладнання АЕС України з урахуванням впливу водню // Проблеми сучасної ядерної енергетики. Тези доп. ХΙV міжнар. наук.-техн. конф. молодих вчених та фахівців: 14–16 лист. 2018: Харків, вид. ХНУ, 2018. С. 27.

14. А.с. № 107646 Комп’ютерна програма «Програма розрахунку концентрації водню в об’ємних елементах конструкцій за дії силових навантажень» (“DIFEUS 3D”) / О.Я. Чепіль, О.В. Гембара, Н.Т. Гембара, М.В. Гриненко. Зареєстровано 30.08.2021.

Read more

Similar theses

0825U000323

Mykhailo V. Hrynenko

Modelling of the stress-strain state and the experimental-calculation method for evaluation of the fracture resistance of heat power engineering steel

0825U000316

Orest Raiter

Mathematical models for assessing the durability of fiber-reinforced concrete structural components under creep conditions

0825U000218

Vita Olshevska

Algorithms and Codes over Sylow 2-Subgroups of Symmetric Groups S2n

0825U000049

Illya Sylenko

Markov Perfect Equilibrium in a resource extraction game with power utilities of the agents

0824U003470

Yevhen Nemanezhyn

Development of methods for calculating the high-temperature strength of gas turbine blades under static and dynamic loading