Hydrogen embrittlement, revisited by in situ electrochemical nanoindentation

Abstract

The fine scale mechanical probing capability of NI-AFM was used to examine hydrogen interaction with plasticity. To realize this, an electrochemical three electrode setup was incorporated into the NI-AFM. The developed ECNI-AFM is capable of performing nanoindentation as well as imaging surfaces inside electrolytes. The developed ECNI-AFM setup was used to examine the effect of cathodically charged hydrogen on dislocation nucleation in pure metals and alloys. It was shown that hydrogen reduces the pop-in load in all of the tested materials except Cu. The reduced pop-in load can be interpreted as the HELP mechanism. Classical dislocation theory was used to model the homogeneous dislocation nucleation and it was shown that H reduces the activation energy for dislocation nucleation in H sensitive metals which are not undergoing a phase transformation. The activation energy for dislocation nucleation is related to the material specific parameters; shear modulus, dislocation core radius and in the case of partial dislocation nucleation, stacking fault energy (SFE). These material properties can be influenced by H resulting in a reduced activation energy for dislocation nucleation. The universality of cohesion in bulk metals relates the reduction of the shear modulus to the reduction of the cohesion, meaning HEDE mechanism. The increase in the core radius of a dislocation due to H is a direct evidence of decrease in dislocation line energy and H segregation on the dislocation line. In the case of partial dislocations, the H can segregate on to the stacking fault ribbon and decrease SFE. This inhibits the cross slip process and enhances the slip planarity. Thus, HELP and HEDE are the two sides of a coin resulting in H embrittlement. However depending on the experimental approach utilized to probe the H effect, either HELP or HEDE can be observed. In this study, however, by utilizing a proper experimental approach, it was possible to resolve the interconnected nature of the HE.

Die Motivation dieser Arbeit war es, die feinscaligen Möglichkeiten des NI-AFM zur Untersuchung des Einflusses von H auf die Plastizität einzusetzen. Es wurde mit der Integration einer elektrochemischen Dreielektrodenzelle in die Anlage die Möglichkeit der Ni-AFM Technik genutzt, in einer Flüssigkeit einsetzbar zu sein. Der hier entwickelte ECNI-AFM Versuchsaufbau wurde eingesetzt um den H-Effekt unter kathodischer Beladung auf die Versetzungsnukleation in reinen Metallen und Legierungen zu untersuchen. Es konnte für alle untersuchten Werkstoffe außer für Cu gezeigt werden, dass H die pop-in-Load reduziert. Die reduzierte pop-in-Load kann als HELP interpretiert werden. Die klassische Versetzungstheorie wurde angewendet um die homogene Versetzungsnukleation im Metall zu modellieren. Es konnte gezeigt werden, dass H in "H-sensiblen'; Metallen, die keine Phasentransformation durchlaufen, die Aktivierungsenergie für die Nukleation von Versetzungen senkt. Die klassische Versetzungstheorie verbindet die Aktivierungsenergie für Versetzungsnukleation mit werkstoffspezifischen Parametern, die möglicherweise durch H beeinflusst werden können. Diese Parameter sind Schubmodul, Radius des Versetzungskerns und im Falle der Nukleation von Partialversetzungen die Stapelfehlerenergie. Als Konsequenz aus Universalität der Kohaesion in metallischen Festkoerpern ist es möglich die Reduzierung des Schubmoduls mit der Reduktion der Kohäsion (HEDE) in Beziehung zu setzen. Die durch H hervorgerufene Vergrößerung des Kernradius ist ein direkter Beweis für die Verringerung der Versetzungslinienenergie und die H-Segregation entlang der Versetzungslinie. H kann im Falle von Partialversetzungen innerhalb des Stapelfehlers segregieren und dessen Oberflächenenergie herabsetzen. Dadurch wird der Quergleitprozess unterdrückt (slip planarity). Zusammengefasst kann geschlossen werden, dass HELP und HEDE die beiden Seiten einer Medaille sind, die zu H-Versprödung führen. Je nachdem, welcher Ansatz gewählt wird, um den Einfluss von H zu untersuchen, kann entweder HELP oder HEDE beobachtet werden. Innerhalb der vorliegenden Arbeit war es durch die Verwendung eines geeigneten experimentellen Ansatzes möglich, die komplizierte Natur der H-Versprödung ein Stück weiter zu entschlüsseln.