A mechanistic theory of hydrogen embrittlement of steels

Consideration of the relation between the cohesive energy and the surface free energy leads to the inference that dissolved hydrogen reduces the maximum cohesive resistive force of which the iron lattice is capable. This forms the basis of a mechanistic model for the velocity of hydrogen-induced crack propagation in steels. The crack grows when the local tensile elastic stress normal to the plane of the crack equals the local maximum cohesive force per unit area as reduced by the large concentration of hydrogen drawn there by the effect of elastic stress on the chemical potential of hydrogen. The velocity of the growth is given by the solution of the relevant transport equation for the accumulation of hydrogen. Although quantifiable in principle the theory remains implicit because of current ignorance of the needed functional relationships, but some qualitative predictions and insights are possible, as well as the specification of important experiments. Eine Betrachtung der Beziehung zwischen der Kohäsionsenergie und der freien Oberflächenenergie führt zu dem Schluß, daß die maximale Kohäsionskraft, die im Eisengitter einer Trennung der Atome entgegenwirken kann, durch gelösten Wasserstoff erniedrigt wird. Dies bildet die Grundlage eines mechanistischen Modells für die Geschwindigkeit der durch Wasserstoff induzierten Rißausbreitung in Stählen. Der Riß wächst, wenn die lokale elastische Zugspannung senkrecht zur Rißebene gleich der maximalen Kohäsionskraft pro Einheitsfläche wird; diese Kraft ist wegen der hohen Konzentration an Wasserstoff, der durch den Einfluß de elastischen Spannung auf sein chemisches Potential dorthin gezogen wird, erniedrigt. Die Wachstumsgeschwindigkeit wird durch die Lösung der maßgeblichen Transportgleichung für die Ansammlung von Wasserstoff gegeben. Da gegenwärtig die benötigten funktionellen Zusammenhänge unbekannt sind, führt diese Theorie noch nicht zu quantitativen Aussagen, obwohl dies im Prinzip möglich ist. Dagegen sind einige qualitative Aussagen und Einsichten möglich, außerdem können wichtige Experimente angegeben werden.