Lebensdauervorhersage durch mikrostrukturbasierte Modelle

Werkstoffbewertung, Lebensdauerkonzepte

Wir bewerten den Einfluss von Mikrostruktur, Eigenspannungen und Schädigung auf Funktionalität und Lebensdauer von Bauteilen. Besonderen Wert legen wir auf die Verknüpfung von zielgerichteten Analysen und Experimenten mit fortschrittlichen Werkstoffmodellen und auf das Verständnis für die Anforderungen an die Bauteile unserer Kunden. Schwerpunkte unserer Arbeiten sind die Modellierung zyklischer thermo-mechanischer Beanspruchungen und die Aufklärung von Degradationsmechanismen der Korrosion, Spannungsrisskorrosion und Wasserstoffversprödung. Bei akuten Schadensfällen unterstützen wir unsere Kunden durch Gutachten. 


Leistungen

Simulation, Ermittlung und Bewertung der herstellungs- und beanspruchungsbedingten Mikrostruktur und Eigenspannungen

Untersuchungen zur Werkstoffdegradation durch Korrosion, Spannungsrisskorrosion und Wasserstoffversprödung

Aufklärung von Schädigungsmechanismen bei zyklischer thermo-mechanischer Beanspruchung

Mechanismenbasierte Werkstoffmodelle für zeit- und temperaturabhängige Plastizität und Schädigung

Software für Lebensdauerberechnungen mit Finite-Elemente Programmen

Schadensanalyse, Klärung der technischen Verantwortung, Erstellung von Gutachten, Entwicklung von neuen Versuchstechniken

Aufbau von Versuchs- und Prüfständen

Mikrostruktur, Eigenspannungen
 

Wir untersuchen den Einfluss von Herstellungsverfahren und Betriebsbeanspruchungen auf die Mikrostruktur und den Eigenspannungszustand von Werkstoffen ...  

Lebensdauerkonzepte, Thermomechanik

Motorenbauteile, Turbinen von Flugzeugen, Komponenten der Kraftwerkstechnik und des Anlagenbaus unterliegen hohen thermischen und mechanischen Beanspruchungen. Zahlreiche teure und ...  

© Foto Fraunhofer IWM

Einfluss von Wasserstoff auf metallische Werkstoffe

Wasserstoff reduziert die Festigkeit, Duktilität und Lebensdauer vieler metallischer Werkstoffe. Man spricht generell von Wasserstoffversprödung. Das Fraunhofer IWM unterstützt seine Auftraggeber in der Auswahl und Qualifizierung von Werkstoffen, die während der Herstellung oder im Einsatz mit Wasserstoff in Kontakt kommen und erarbeitet Lösungswege zum sicheren Betreiben der Bauteile.

Wasserstoff reduziert die Duktilität und Lebensdauer vieler metallischer Werkstoffe. Man spricht generell von Wasserstoffversprödung. Wasserstoff kann durch unterschiedliche  Prozesses in die Werkstoffe gelangen; durch Beladung mit gasförmigen Wasserstoff und durch elektrochemische Prozesse (z.B. Korrosion oder galvanische Beschichtung). Die unterschiedlich ausgeprägte Anfälligkeit für  Wasserstoffversprödung bei sonst vergleichbaren Festigkeitseigenschaften schränkt die Werkstoffauswahl ein. Zunehmende Bedeutung gewinnt das Problem Wasserstoffversprödung im Verkehrs- und Energiebereich, da Wasserstoff als einer der wichtigen zukünftigen Energieträger angesehen wird. Die damit verbundene Entwicklung neuer Technologien zur Herstellung, Verteilung und Einsatz von Wasserstoff als Energielieferant erfordert die Qualifizierung vorhandener und neu zu entwickelnder Werkstoffe für diese Anwendungen.

Das Fraunhofer IWM unterstützt seine Auftraggeber in der Auswahl und Qualifizierung von Werkstoffen und Fertigungsverfahren, der Lebensdauerabschätzung und, im Schadensfall, der Identifikation der Ursachen des Bauteilversagens. Unsere Mitarbeiter haben langjährige Erfahrung in der Untersuchung und Aufklärung der Mechanismen der Wasserstoffversprödung sowie in der Simulation der zugrunde liegenden Diffusionsvorgänge. Experimentelle Einrichtungen zur gezielten Beladung von Werkstoffen mit Wasserstoff (auch bei gleichzeitiger mechanischer und thermischer Belastung), zur Bestimmung des Wasserstoffgehalts, zur Charakterisierung der Mikrostruktur und zur Ermittlung festigkeitsrelevanter Eigenschaften sind vorhanden.

Schwerpunkte

Messung von Wasserstoffdiffusionskonstanten und Ermittlung von Trapplätzen metallischer Werkstoffe

Bewertung des Einflusses von Legierungszusammensetzung auf die Wasserstoffversprödung; Mikrostrukturanalyse, Fraktographie, mechanischer in-situ Experimente

Aufstellung von Auslegungsrichtlinien und Lebensdauerabschätzungen für metallische Bauteile, die in wasserstoffhaltiger Umgebung eingesetzt werden Atomistischen Simulation von Bindungsenergien des Wasserstoffs im Kristallgitter, Bewertung unterschiedlicher Trapplätze

FE-Modellierung der Diffusion und lokalen Anreicherung von Wasserstoff beim Schweißen und der Wärmebehandlung

Schadenanalysen zur Aufklärung von Bauteilausfällen, die im Zusammenhang mit Wasserstoff aufgetreten sind

Risiko- und Lebensdauerbewertung

© Foto Fraunhofer IWM

Zugprüfmaschine mit adaptierter kathodischer Wasserstoffbelastung

Ausstattung unseres Labors

Modifizierte Permeationszellen zur Bestimmung von Wasserstoff-Diffusionskonstanten in Abhängigkeit von Zugbelastung und Temperatur

Beladungszellen mit und ohne in-situ Zugeinrichtungen zur definierten Wasserstoffbeladung und gleichzeitigen bzw. nachgeschalteten mechanischen Kennwertermittlung

Heißgasextraktionsbestimmung von Wasserstoff, Stickstoff und Sauerstoffgehalten in metallischen Werkstoffen (Eltra OH-900 und ON-900)

Hochauflösendes REM (Zeiss Supra 40VP mit integriertem EBSD System) für die detaillierte Analyse der Auswirkung von Wasserstoff auf die Bruchmorphologie

Labor- und mobile Röntgendiffraktometer zur Ermittlung der Phasenzusammensetzung, Textur und Eigenspannung kristalliner Werkstoffe

© Foto Fraunhofer IWM

Wasserstoffversprödung charakterisieren und simulieren:

In unseren Laboren charakterisieren wir die Eigenschaften von
Werkstoffen unter dem Einfl uss von Wasserstoff. Dazu gehören
Mikrostrukturanalysen, mechanische Versuche, Eigenspannungsanalysen
und die Messung des Wasserstoffgehalts und des
Diffusionskoeffi zienten. Die Ergebnisse finden Eingang in Modelle
zur Vorhersage von Belastungsgrenzen und der Lebensdauer
von Bauteilen.

© Foto Fraunhofer IWM

Korrosion in Salzschmelzen

Angetrieben durch die langfristig erforderliche Nutzung erneuerbarer fluktuierender Energiequellen investiert das Fraunhofer IWM in die Entwicklung von Bewertungs- und Qualifizierungskonzepten für Materialien in Hochtemperaturspeichern Solarthermischer Kraftwerke auf Salzsschmelzenbasis (TES Thermal Energy Storage, CSP concentrated solar power plants).

Salzschmelzen werden in vielen Industriezweigen genutzt, zum Beispiel als Bäder aus geschmolzenen Chlorid-Salzmischungen zur Oberflächenlegierung oder als Fluoridsalze zur Reinigung von Metalloberflächen. Inzwischen haben Salzschmelzen aus Nitraten und Nitriten an Bedeutung gewonnen, da sie attraktive Wärmeleitungs- und Speichermedien für Anwendungen in der Energieerzeugung sind.

Angetrieben durch die langfristig erforderliche Nutzung erneuerbarer fluktuierender Energiequellen investiert das Fraunhofer IWM in die Entwicklung von Bewertungs- und Qualifizierungskonzepten für Materialien in Hochtemperaturspeichern Solarthermischer Kraftwerke auf Salzsschmelzenbasis (TES Thermal Energy Storage, CSP concentrated solar power plants). Diese Aktivitäten sind eingebettet in das Fraunhofer Zukunftsprojekt SuperGrid (Gesamtprojektleitung: Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE), das weitere Aspekte der Einbindung flukturierender erneuerbarer Energiequellen in ein transeuropäisches Energienetz behandelt DESERTEC.

Damit Hochtemperaturspeicher und Wärmeübertrager auf der Basis von Salzschmelzen zuverlässig arbeiten und ökonomisch betrieben werden können, sind umfangreiche Qualifizierungsmaßnahmen für die zur Anwendung kommenden Materialien erforderlich. Im Bereich der Wärmetauscher treten komplexe, zeitlich flukturierende, kombinierte mechanische, thermische und chemische Beanspruchungen auf, die zu einer kritischen Degradation der Werkstoffe führen können.

© Foto Fraunhofer IWM

Konzept einer Prüfzelle für die mechanische Prüfung von Proben in heißen Salzschmelzen.

Leistungen

Im Fraunhofer IWM arbeitet ein Team aus erfahrenen Physikern, Ingenieuren und Chemikern an der Erforschung der grundlegenden Degradationsmechanismen, Auswahl und Optimierung der Werkstoffe, Definition von Schutzkonzepten und der Lebensdauervorhersage. Dazu baut das Fraunhofer IWM derzeit Prüfverfahren auf, die folgende Möglichkeiten beinhalten:

Untersuchungen zur chemischen Stabilität von Salzschmelzen bei hohen Temperaturen

Statische Korrosionstests zur Bestimmung der Korrosionsraten und Identifikation der Korrosionsmechanismen

CERT-Versuche (Mechanische Belastung mit geringer Dehnrate) zur Separation und Quantifizierung der Anteile von Korrosion und Spannungsrisskorrosion an der Werkstoffdegradation

Mechanische Ermüdungsversuche mit überlagerter korrosiver Beanspruchung durch Salzschmelzen

Zyklische thermo-korrosive Beanspruchung

Entwicklung und Erprobung von Schutzschichten

Umfangreiche Mikrostruktur- und Oberflächenanalysen mittels optischer und Rasterelektronenmikroskopie, Elementanalysen, EBSD (Elektonenrückstreubeugung) und Röntgenbeugungsanalysen (Phasen- und Eigenspannungsanalysen)

nach oben