In this research, two common types of environment assisted cracking (EAC) of pipeline steels, namely the intergranular stress corrosion cracking (IGSCC) and the hydrogen induced cracking (HIC), have been studied, and computer models have been developed to simulate the intergranular stress corrosion crack propagation behaviour in pipeline steel as well as to predict the intergranular fracture susceptibility, due to mechanical loading in non-corrosive environment, of polycrystalline materials. First, a new understanding of the IGSCC resistance of pipeline steel has been obtained by studying the grain boundary character and crystallographic orientation in both cracked and non-cracked pipeline steel samples using electron backscattered diffraction (EBSD) and X-ray texture measurements. It has been found that the low-angle and certain types of special boundaries, known as the coincident site lattice (CSL) boundaries (Σ5, Σ11, and Σ13b types), are crack-resistant while the random high angle boundaries are prone to cracking. However, it has been also observed that the grain boundaries associated with {110} and {111} neighbour grain orientations having <110> and <111> rotation axis, respectively, are crack-resistant, while the cracked boundaries are mainly linked to the {100} orientation with <100> rotation axis. Subsequently, a novel integrated modeling approach, combining Voronoi Algorithm, Markov Chain theory, and Monte Carlo simulations, has been developed in order to predict the IGSCC behaviour of pipeline steels. The model takes both the physical microstructural features, such as the grain shape and grain size distribution, as well as the grain boundary characters and their orientations with respect to the external stress axis into account. The predicted crack propagation behaviour has been found to be in excellent agreement with the experimental crack-propagation and arrest data in API X65 pipeline steel. In addition, a texture based grain boundary character reconstruction model has been developed that can reproduce the experimentally determined grain boundary character distribution (GBCD) from the simple texture and overall GBCD descriptions. This model has been coupled with the intergranular crack propagation model that can take into account the crystallographic orientations of the grains and the resulting grain boundary character, individual grain boundary fracture strength, and projected local stress onto the grain boundary plane based on applied stress magnitude and in-situ crack propagation length. The predicted threshold fracture stress has been compared with the experimental fracture stress data of various textured and random Mo polycrystals obtained from the literature, and good agreement was observed. Besides, hydrogen induced cracking (HIC) behaviour of two relatively new high strength pipeline steels, API X80 and API X100, in high pH carbonate-bicarbonate environment has been studied using slow strain rate test (SSRT) technique. While both the steels are found to be highly susceptible to HIC at cathodic potentials, the bainitic lath type microstructure (API X100) is more susceptible to HIC compared to the ferritic/granular bainitic steel (API X80) at high cathodic potential. This can be primarily attributed to the bainitic lath boundary separation phenomenon in the API X100 steel. This study also shows that applying cathodic protection can lead to significant hydrogen embrittlement in these steels. / Dans cette recherche, deux types courants de l'environnement assistée par la fissuration (EAC) des aciers pour pipelines, nommément le stress corrosion intergranulaire craquage (IGSCC) et la fissuration induite par l'hydrogène (HIC), ont été étudiés, et des modèles informatiques ont été développés pour simuler le intergranulaire stress comportement à la corrosion propagation des fissures dans l'acier des pipelines ainsi que de prédire la susceptibilité de fracture intergranulaire, en raison de contraintes mécaniques dans un environnement non-corrosifs, des matériaux polycristallins. Tout d'abord, une nouvelle compréhension de la résistance de l'acier IGSCC pipeline a été obtenu en étudiant le caractère des joints de grains et de l'orientation cristallographique dans les deux fissuré et non fissuré échantillons d'acier pipeline en utilisant la diffraction d'électrons rétrodiffusés (EBSD) et les mesures de texture X-ray. Il a été constaté que le faible angle et certains types de limites particulières, connu sous le nom coïncide site du réseau (CSL) limites (Σ5, Σ11, et les types Σ13b), sont anti-fissures tandis que les frontières aléatoire angle élevé sont sujettes à la fissuration . Toutefois, il a été également observé que les joints de grains associées à {110} et {111} orientations grain voisin ayant <110> et <111> axe de rotation, respectivement, sont anti-fissures, alors que les limites de craquage sont principalement liés à la {100} d'orientation avec <100> axe de rotation. Par la suite, une approche nouvelle modélisation intégrée, combinant l'algorithme de Voronoï, par chaînes de Markov théorie et simulations de Monte Carlo, a été développé afin de prédire le comportement des aciers IGSCC pipeline. Le modèle tient à la fois les caractéristiques physiques des microstructures, telles que la forme des grains et de la distribution granulométrique, ainsi que les caractères des joints de grains et de leurs orientations par rapport à l'axe du stress en compte des externalités. Le comportement de fissures prédits propagation n'a été trouvé pour être en excellent accord avec les observations expérimentales propagation de fissure et de données sur les arrestations en acier API X65 pipeline. En outre, une texture à base de céréales limite reconstruction caractère modèle a été développé qui permet de reproduire la distribution de céréales déterminé expérimentalement la limite de caractères (GBCD) de la texture simple et globale descriptions GBCD. Ce modèle a été couplé avec le modèle de propagation de fissures intergranulaires qui peuvent prendre en compte les orientations cristallographiques des grains de céréales et le caractère résulte de frontière, chaque résistance à la rupture des joints de grains, et projetée de contraintes locales sur le plan des joints de grains fondés sur l'amplitude de contrainte appliquée et in-situ longueur propagation de la fissure. La contrainte seuil prévu fracture a été comparé avec les données expérimentales contrainte à la rupture de plusieurs Mo polycristaux texturés et aléatoire obtenu à partir de la littérature, et un bon accord a été observée. Par ailleurs, la fissuration induite par l'hydrogène (HIC) le comportement de deux relativement nouveaux aciers à haute limite pipeline force, API X80 et X100 API, en haute environnement carbonate-bicarbonate pH a été étudiée en utilisant la vitesse de déformation lente test (SSRT) technique. Bien que les aciers sont jugés très sensibles à l'HIC à des potentiels cathodiques, la microstructure de type bainitique latte (API X100) est plus sensible aux HIC par rapport à la ferritique / acier bainitique granulaire (API X80) au potentiel cathodique de haut. Cela peut être principalement attribuée au phénomène bainitique limite latte de séparation en acier X100 API. Cette étude montre également que l'application de la protection cathodique peut conduire à la fragilisation par l'hydrogène significative de ces aciers.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.96871 |
| Date | January 2011 |
| Creators | Arafin, Muhammad |
| Contributors | George Demopoulos (Internal/Cosupervisor2), Jerzy A Szpunar (Internal/Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Department of Mining and Materials) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
Page generated in 0.0078 seconds