Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM
Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM

Wasserstoffversprödung metallischer Werkstoffe

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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 kann durch unterschiedliche Prozesse 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.

  • 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
  • Atomistische 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

Fraunhofer IWM Videoserie: Forschung und Tests zur Wasserstoffversprödung in Metallen

Dr. Ken Wackermann

Neue Prüfstände zur Wasserstoffversprödung in Metallen

Nutzung des Autoklavs für Wasserstoffbeladung am Fraunhofer IWM

Ausstattung unseres Labors

 

  • Modifizierte Permeationszellen zur Bestimmung von Wasserstoff-Diffusionskonstanten in Abhängigkeit von Zugbelastung und Temperatur nach DIN EN ISO 17081
  • Elektrochemische Wasserstoffbeladung zur definierten Wasserstoffbeladung von Werkstoffen
  • Autoklav für Wasserstoffbeladung bei bis zu 500 bar Druck und 350°C und in situ – Prüfung belasteter Proben
  • Prüfstände zur Werkstoffqualifizierung mit in situ Wasserstoffbeladung oder nach erfolgter Vorbeladung
  • Hohlprobenprüfstand für Versuche mit Gasinnendruck bis 200 bar und einstellbarer Versuchstemperatur
  • Heißgasextraktionsbestimmung von Wasserstoff, Stickstoff und Sauerstoffgehalten in metallischen Werkstoffen (Eltra OH-900 und ON-900)
  • Thermische Desorptionsspektroskopie bis 1100 °C zur Bestimmung der Bindungsenergien
  • 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

 

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Experimentelle Untersuchungen

 

  • Ab März 2019: Elektromechanische Prüfmaschinen mit integriertem Hochdruck-Autoklav (1000 bar) für:
    • Langsame Zugversuche (SSRT, CERT) mit optionalen Zellen für die elektrolytische und gasförmige in situ Wasserstoffbeladung, z.B. nach ASTM G 129
    • Rissausbreitungs- und Ermüdungsversuche mit optionalen Zellen für die elektrolytische in situ Wasserstoffbeladung
    • Kerbzugversuche z.B. in Anlehnung ASTM F 519 oder DIN EN 2832
  • Ab Ende 2018: Elektromechanische Prüfmaschinen mit integriertem Hochdruck-Autoklav (1000 bar)
  • Trägergasheißextraktion
    • Messung des Gesamtwasserstoffgehalts an metallischen Proben
    • Prüfgerät: Eltra OH-900
  • Thermische Desorptionsspektroskopie
    • Infrarotofen bis 900°C
    • Draht-Rohrofen bis 1100°C
    • Messung des Anteils des diffusiblen Wasserstoffs
    • Messung der Fallenbindungsenergie
    • Prüfgerät: Bruker Phoenix G4 mit Massenspektrometer der Firma InProcess Instruments
  • Permeationsversuche
    • Messung des Diffusionskoeffizienten
    • Messung der Fallendichte
    • Messung nach DIN EN ISO 17081
  • Begleitend: Mikrostruktur- und Eigenspannungsanalyse , z.B. durch
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Zugprüfmaschine für Versuche an Hohlproben mit Gasinnendruck

Hohlproben – Eine Alternative zur Autoklaventechnik

Zugversuche mit Hohlproben können aussagekräftige Ergebnisse zur Beurteilung der Wasserstoffempfindlichkeit eines Werkstoffs schaffen. Die Proben weisen eine Durchgangsbohrung auf, welche im Versuche mit einem wasserstoffhaltigen Gasgemisch unter Druck gesetzt wird. Die Aussagekraft der Hohlprobentechnik wird anhand aktueller Ergebnisse von Zugversuchen an einem Rohrleitungsstahl dargestellt. Es zeigt sich eine deutliche Abnahme der Bruchdehnung durch die Wasserstoffversprödung im Vergleich zu Referenzversuchen in Luft. Dabei sind Versuche mit Hohlproben schneller, einfacher und billiger als Versuche im Druckwasserstoffautoklaven zum Test von Vollproben. Zudem spiegeln sie den realen Wasserstoffgradienten in einer Rohrleitung wider.

 

Simulation

 

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Berechnung der Kaltrisswahrscheinlichkeit durch Nutzung von Simulation und experimentellem Kaltrisskriterium (AiF-Projekt mit LFT der BTU Cottbus)

Berechnung der wasserstoffbeeinflussten Kaltrissgefährdung

 

Mittels der numerischen Berechnung von Gefüge, Eigenspannungen und Wasserstoffdiffusion beim Schweißen ist es möglich Vorhersagen zur Kaltrisssicherheit an komplexen Bauteilen abzuleiten. Die Lösungsansätze versetzen Anwender thermischer Fertigungsprozesse, z.B. beim Schweißen und der Wärmebehandlung in die Lage, Konstruktionen bereits in der Entwicklungsphase bezüglich deren Kaltrisssicherheit auszulegen. Dies erfolgt durch die Kopplung der numerischen Simulation mit experimentell ermittelten Risskriterien unter Berücksichtigung prozesstypischer Belastungen.
Abbildung 1 zeigt ein laserstrahlgeschweißtes Röhrchen aus einem hochfesten Stahl, bei welchem die Kaltrisswahrscheinlichkeit aus der numerischen Simulation von Temperaturfeld, Schweißeigenspannungen und der lokalen Wasserstoffverteilung berechnet wurde. Grundlage für die Bewertung war ein quantitatives Kaltrisskriterium, das für den hochfesten Stahl mit einer neuen Methodik experimentell ermittelt wurde.

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Visualisierung der Diffusion von Wasserstoff-Atomen in einem Kristallgitter im Bereich einer Rissspitze.

Mit Computersimulationen Wasserstoff in Metallbauteilen aufspüren

 

Denn bereits während Metall »gekocht«, gewalzt und später zu Blechen und Bauteilen verarbeitet wird, entstehen feinste Risse und spröde Bereiche, die Metallbauteile instabiler werden lassen können. Schuld daran hat oft atomarer Wasserstoff, der sich durch das Metall bewegt, sich an Fehlstellen oder Metallkorngrenzen ansammelt und so die mechanischen Eigenschaften verschlechtert. Der dahinterstehende Mechanismus heißt Wasserstoffversprödung. Je nach Belastung und Außeneinflüssen entwickeln sich solche Fehlstellen zu feinen Rissen, die auf eine kritische Größe anwachsen können – das Bauteil bricht.

Bisher analysierten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, wie sich Risse bilden und wie sie fortschreiten, um der Wasserstoffversprödung auf die Spur zu kommen. Doch diese Mechanismen hängen stark davon ab, wie sich Wasserstoff im Metall bewegt und wie hoch seine Konzentration an kritischen Rissbildungsstellen ist. Darum konzentriert sich das Projekt MultiHy auf die lokalen Bedingungen bei der Rissbildung wie Wasserstoffkonzentration, Materialspannungen, Temperatur und mechanische Belastungen. Dabei ist wichtig, die Bewegungen von Wasserstoff im Metall in Abhängigkeit von äußeren Faktoren und von der Materialstruktur in unterschiedlichen Größenskalen zu verstehen. »Wir wollen jetzt Computersimulationen über mehrere Größenskalen hinweg übergreifend durchführen, von dem Verhalten der Atome über mehrere Zwischenschritte bis hin zum Verhalten des gesamten Bauteils«, erklärt der Koordinator des Projekts, Dr. Nicholas Winzer, die Besonderheit im Projekt. Atomare Informationen wie Diffusionsbarrieren, Aktivierungsenergien und Störstellen im Kristallgitter können nun direkt in die Vorhersage der Lebensdauer der Bauteile unter ihren Einsatzbedingungen einfließen. »Mit den Simulationen können wir genauer vorhersagen, wie anfällig ein Material oder ein Bauteil für die Wasserstoffversprödung unter realistischen Bedingungen ist«, sagt Dr. Matous Mrovec, Koordinator der atomistischen Simulationen. Zudem finden experimentelle Untersuchungen von Materialproben statt, die von den Industriepartnern des Projekts geliefert werden. Mithilfe dieser Ergebnisse optimiert das Fraunhofer IWM gemeinsam mit den Projektpartnern die Simulationen.

In dem Projekt »Multiscale Modeling of Hydrogen embrittlement MultiHy«, das innerhalb des 7. Rahmenprogramms der Europäischen Kommission gefördert wird, erarbeiten elf Partner aus Forschung und Industrie anwendungsbezogene, industriell relevante Problemstellungen. Neben Deutschland sind Großbritannien, die Niederlande, Norwegen, Österreich und Spanien vertreten. Das Projekt hat eine Laufzeit von vier Jahren.

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Publikationen

 

  • Reichenbacher, A.; Fischer, C.; Schweizer, C.; Seifert, T., A finite element study on the influence of the hardening behavior on plasticity-induced fatigue crack closure, International Journal of Fatigue 158 (2022) Art. 106768, 11 Seiten Link
  • Michler, T.; Elsässer, C.; Wackermann, K.; Schweizer, F., Effect of hydrogen in mixed gases on the mechanical properties of steels—theoretical background and review of test results, Metals 11/11 (2021) Art. 1847, 11 Seiten Link
  • Michler, T.; Schweizer, F.; Wackermann, K., Review on the influence of temperature upon hydrogen effects in structural alloys, Metals 11/3 (2021) Art. 423, 16 Seiten Link
  • Michler, T.; Schweizer, F.; Wackermann, K., Review on the influence of temperature upon hydrogen effects in structural alloys, Prime Archives in Material Science: 3rd Edition; Khan, M. I. (Ed.); Vide Leaf, Hyderabad, India (2021) 33 Seiten Link
  • Michler, T.; Wackermann, K.; Schweizer, F., Review and assessment of the effect of hydrogen gas pressure on the embrittlement of steels in gaseous hydrogen environment, Metals 11/4 (2021) Art. 637, 15 Seiten Link
  • Michler, T.; Bruder, E.; Linder, S., Hydrogen effects in X30MnCrN16‐14 austenitic steel - Einfluss von Wasserstoff in dem austenitischen Stahl X30MnCrN16‐14, Materialwissenschaft und Werkstofftechnik - Materials Science & Engineering Technology 51/4 (2020) 531-538 Link
  • Wackermann, K.; Huising, O. J.; Hoeveler, D.; Adämmer, F., Bruchmechanische Betrachtungen bei der Umstellung von Erdgasleitungen aus Stahl für den Transport von Wasserstoff, energie | wasser-praxis 91/9 (2020) 18-25 Link
  • Wackermann, K.; Schweizer, F.; Pfeiffer, W., Wasserstoffversprödung metallischer Werkstoffe: Adsorption, Diffusion und Werkstoffeigenschaften, Gasqualitäten im veränderten Energiemarkt; Leicher, J.; Giese, A.; Petermann, H. (Hrsg.); Vulkan-Verlag GmbH, Essen (2020) 579-592 Link
  • Wackermann, K., Das neue Wasserstofflabor am Fraunhofer IWM - Die Wirkung von Wasserstoff auf Werkstoffe beherrschen, HZwei 18/3 (2019) 42-43 Link 
  • Wackermann, K.; Schweizer, F.; Pfeiffer, W., Wasserstoffversprödung metallischer Werkstoffe: Adsorption, Diffusion und Werkstoffeigenschaften, gwf Gas+Energie 160/2-3 (2019) 56-74 Link
  • Wanzenberg, E.; Henel, M.; Brauer, H.; Tamaske, E.; Neumann, H.; Großmann, A.; Wackermann, K., Forschungsvorhaben "H2-Pims": Wasserstoff im Erdgas sicher transportieren, 3R Fachzeitschrift für sichere und effiziente Rohrleitungssysteme 6 (2019) 84-93 Link
  • Kürten, D.; Winzer, N.; Kailer, A.; Pfeiffer, W.; Spallek, R.; Scherge, M.; In-situ detection of hydrogen evolution in a lubricated sliding pin on disk test under high vacuum; Tribology International 93/Part A (2016) 324–331; Link
  • Wackermann, K.; Pfeiffer, W.; Wasserstoffversprödung und Testmethoden - Eigenarten der Wasserstoffversprödung und standardisierte Testmethoden; Konstruktion September 9 (2016) IW14 - IW15 Link
  • Casajús, P.; Winzer, N.; Intergranular stress corrosion crack propagation in hot-rolled AZ31 Mg alloy sheet; Materials Science & Engineering A 602 (2014) 58–67 Link
  • Winzer, N., Mrovec, M.; Di Stefano, D.; Katzarov, I.; Paxton, A., Industrially-relevant multiscale modelling of hydrogen assisted degradation, Hydrogen-Materials Interactions: Proceedings of of the 2012 International Hydrogen Conference ICH 2012; Somerday, B. ; Sofronis, P. (Eds.); ASME Press, New York, NY, USA (2014) 737-745 Link
  • Winzer, N.; Mrovec, M.; Multiscale approaches to hydrogen-assisted degradation of metals; JOM. The journal of the Minerals, Metals & Materials Society 66/8 (2014) 1366-1367 Link
  • Schweizer, F.; Dreibati, O.; Michailov, V.; Ossenbrink R.; Rechnergestützte Vorhersage der Kaltrissneigung laserstrahlgeschweißter Bauteile aus hochfesten Stählen – Teil 2: Simulation von Gefüge, Spannungen, Dehnungen und Wasserstoffverteilungen beim Schweißen; Schweißen & Schneiden 65/12 (2013) 832-836 Link
  • Winzer, N.; Khader, I.; Hydrogen diffusion and trapping in bodies undergoing rolling contact; Wear 303/1-2 (2013) 451-458 Link