Expert*innen für die Charakterisierung, Berechnung und Bewertung von Werkstoffen und Bauteilen im Kontakt mit Wasserstoff

Wasserstoff ist in der Lage, alle Werkstoffe zu durchdringen und deren Eigenschaften zu beeinflussen. Wie Wasserstoff auf die mechanischen und tribologischen Eigenschaften eines Werkstoffs wirkt, ist komplex, material- und skalenabhängig und Gegenstand unserer Forschung.

Um für eine nachhaltige Zukunft

  • technische Bauteile im Kontakt mit Wasserstoff computergestützt ausgelegen zu können,
  • die Sicherheit und Lebensdauer bestehender Bauteile im Wasserstoffkontakt in Simulationen vorhersagen zu können,
  • oder risikoarm Werkstoffsubstitutionen vornehmen zu können,

klären unsere Expert*innen das Werkstoffverhalten unter realitätsnahen Belastungskollektiven auf. Wir entwickeln aus den Ergebnissen computergestützte Material- und Eigenschaftsmodelle und testen diese in simulierten Belastungsszenarien.

Dafür haben die Expert*innen für Werkstoffmechanik eine umfassende Expertise erarbeitet.

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Auf dieser Seite

 

Welchen Einfluss können Wasserstoff und Wasserstoffderivate auf metallische Werkstoffe haben?

 

Wann profitiert mein Unternehmen von wasserstoffspezifischem Werkstoffwissen?

 

Wer in meinem Unternehmen profitiert von wasserstoffspezifischem Werkstoffwissen?

 

Was sind die FuE-Leistungen des Fraunhofer IWM für mein Unternehmen?

 

Warum sollte mein Unternehmen mit dem Fraunhofer IWM zusammenarbeiten?

Aktuelles aus der Forschung zum Thema Werkstoffe im Kontakt mit Wasserstoff

Welchen Einfluss können Wasserstoff und Wasserstoffderivate auf metallische Werkstoffe haben?

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Die Herausforderungen im Umgang mit Werkstoffen im Kontakt mit Wasserstoff und Wasserstoffderivaten liegen darin, dass sich die Eigenschaften eines Werkstoffs durch die Anwesenheit von Wasserstoff stark verändern (verschlechtern) können.

Je nachdem, welche Risiken abgeschätzt werden sollen, müssen für die Bewertung elementarere werkstoffmechanische Größen miteinbezogen werden. So müssen für eine korrekte Ermittlung der Lebensdauer von Bauteilen und Wasserstoffatmosphäre beispielsweise chemische und physikalische Eigenschaftsänderungen (Wasserstoffversprödung) auf atomarer Ebene berücksichtigt werden. 

Die quantitative Vorhersage der Eigenschaftsänderung ist dabei sehr schwer ermittelbar, da sowohl die Wasserstoffatmosphäre (trocken, feucht, zusätzliche Gase), der Werkstoff (Mikrostruktur, Legierungszusammensetzung), als auch die herrschenden mechanischen und thermischen Belastungen einen Einfluss darauf haben. Die wichtigsten Einflussfaktoren sind Gasdruck, Gastemperatur, Beanspruchungsart (quasi-statisch, zyklisch) sowie die Höhe der wirkenden mechanischen Zugspannungen.

Es gibt aktuelle bruchmechanische Untersuchungen an metallischen Werkstoffen, die bereits ab 1 Vol.-% Wasserstoff auf eine vollständige Wasserstoffschädigung hindeuten. Die Schädigung durch gasförmigen Wasserstoff tritt bevorzugt bei mechanischen Zugspannungen oberhalb der Streckgrenze auf. 

Materialkennwerte, Schädigungsmodelle und Lebensdauermodelle, die für das Computational Aided Engineering (CAE), die Berechnung von Lebensdauern und Festigkeit benötigt werden, sind nicht auf den Kontakt mit Wasserstoff anwendbar.

Um ein Werkstoffsystem mithilfe von CAE für den Kontakt mit Wasserstoff zu qualifizieren, werden Wasserstoffspezifische Materialkennwerte, Schädigungsmodelle und Lebensdauermodelle benötigt.

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Wann profitiert mein Unternehmen von wasserstoffspezifischem Werkstoffwissen und Entscheidungshilfen?

Sie profitieren von unserem Werkstoffwissen, wenn Sie in Ihrem Unternehmen Rohre oder Armaturen für den Wasserstofftransport, Tanks für die Wasserstoffspeicherung, Elektrolyseure für die Wasserstoffherstellung, oder Brennstoffzellen und Verbrennungsmotoren für die Wasserstoffnutzung entwickeln.

Bei der Neu- und Weiterentwicklung von Produkten...

 

...die auch in einer Wasserstoffatmosphäre zuverlässig funktionieren und eine lange Lebensdauer haben sollen.

Bei der Qualifizierung von Bauteilen für Wasserstoffanwendungen...
 

...da Wasserstoff die Langzeitstabilität von Werkstoffgefügen drastisch beeinflussen kann.

Bei der Aufklärung und Vermeidung von wasserstoffinduzierten Schadensfällen...
 

...da sich durch die rechtzeitige Entdeckung und Bewertung von wasserstoffinduzierten Schadensmustern Aus- und Unfälle vermeiden lassen.

Bei der Erarbeitung von Substitutionslösungen...



...denn die Funktionalität zu bewahren und gleichzeitig wirtschaftliche und sicherheitsrelevante Aspekte zu berücksichtigen, ist komplex.

Wer in meinem Unternehmen profitiert vom wasserstoffspezifischem Werkstoffwissen des Fraunhofer IWM?

Egal in welchem Bereich Sie tätig sind, oder worin Ihr Verantwortungsbereich im Produktlebenszyklus besteht: Das Fraunhofer IWM ist der ideale Partner für Sie, um Werkstoffe im Kontakt mit Wasserstoff beschreibbar, berechenbar, bewertbar und beherrschbar zu machen, da wir von der experimentellen Datengewinnung, über die Modellierung und Bewertung alles in einem Haus vereinen.

Für Sie als Konstruktionsingenieur*in liefern wir geeignete Werkstoffkennwerte, mit denen Sie das Bauteil, das Sie konstruieren, realitätsnah auslegen und durch Simulationen seine Eignung zuverlässig vorhersagen können. Wir bewerten für Sie verschiedene Materialalternativen bezüglich ihrer Eignung für Ihre spezifische Wasserstoffanwendung.

Für Sie als Bauteilentwickler*in und Simulationsexpert*in stellen wir geeignete Werkstoffmodelle (Lebensdauermodelle, Modelle für Rissausbreitung) und Simulationsparameter (z. B. Wöhlerkurven) zur Verfügung, damit Sie ein konstruiertes Bauteil virtuell realitätsnah prüfen und seine Lebensdauer vorhersagen können. 

Für Sie als Produktmanager*in ermitteln wir die (Rest-)Lebensdauer von technischen Bauteilen und Komponenten vor der Serienfertigung bzw. Inbetriebnahme und bewerten deren Sicherheit, damit Sie Wartungsintervalle und Designoptimierungen planen können. Wir analysieren und vergleichen für Sie Schmierstoffe, um diese hinsichtlich ihres Risikos zur Schädigung von Gleit- und Wälzlagern zu bewerten. Wir führen analytische Fehlerbewertungen durch und erstellen Schadensbeurteilungen.

Für Sie als Anlagenbetreiber*in oder Anlagenverantwortliche klären wir bei Bedarf die Ursachen von Schadensfällen auf und erarbeiten mit Ihnen Maßnahmen zur Schadensvermeidung.

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Was sind die FuE-Leistungen des Fraunhofer IWM für mein Unternehmen?

© Fraunhofer IWM

Belastungsspezifische Werkstoffprüfung

Mit unseren vielseitigen Prüf- und Charakterisierungsmöglichkeiten bieten wir für Industrieunternehmen umfangreiche Charakterisierungsdienstleistungen an metallischen, keramischen und polymeren (Faserverbund) Werkstoffen an und klären das Materialverhalten unter tribologischer, mechanischer und thermischer Belastung sowie Wasserstoffeinfluss auf. 

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Entwicklung und Bau von Prüfapparaturen für spezielle Belastungskollektive

Für Ihre speziellen Prüfanforderungen (auch unter Wasserstoffatmosphäre) entwickeln wir individuelle Prüfaufbauten und Anlagen zur Aufklärung der Reib- und Verschleißmechanismen im Reibkontakt, oder zur Bestimmung mechanischer Werkstoffkennwerte unter individuellen Belastungskollektiven (Zug, Druck, Schwingung etc.).  

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Computergestützte Bauteilbewertung

Wir bieten computergestützte Sicherheitsnachweise, Lebensdaueranalysen und Bewertungen zur Gebrauchseignung für Bauteile im Kontakt mit Wasserstoff, die hohen sicherheitstechnischen Anforderungen und außergewöhnlichen Belastungskollektiven unterliegen. Dies gilt auch für Bauteile aus modernsten Werkstoffen und Kompositen sowie Hybridbauweisen und Fügeverbindungen.

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Aufklären von Schadensfällen in der Fertigung und im Betrieb

Ob während der Entwicklung, in der Produktion, oder im Betrieb – Wir untersuchen die Ursachen für Schäden (Risse, Brüche, Enthaftung, Wasserstoffversprödung) bei Bauteilen und Materialien, ermitteln je nach Schadensfall die (Rest-)Lebensdauer und klären Fragen zum sicheren Weiterbetrieb und Wartungszyklen auf.  

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Entwicklung von Werkstoff- und Schädigungsmodellen für die virtuelle Bauteilentwicklung

Für die virtuelle Entwicklung anspruchsvoller und hochbelasteter Bauteile, auch unter Wasserstoffatmosphäre, entwickeln wir Werkstoffdatensätze, Werkstoff- und belastungsspezifische Simulationsmodelle zum Werkstoffverhalten und wasserstoffinduzierte Schadensmodelle für den Einsatz in Systemsimulationen und der computergestützten Bauteilbewertung.

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Entwicklung von Diffusionsbarriereschichten

Zur Verbesserung der Lebensdauer und Minderung der Wasserstoffdiffusion in Bauteilen und Tribokontakten, entwickeln wir neben metallischen, carbidischen, nitridischen und oxidischen Schichtsystemen auch komplexe Multilagenschichten auf kundenspezifischen Substratmaterialien.

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Warum sollte mein Unternehmen mit dem Fraunhofer IWM zusammenarbeiten?

Unser Beitrag für Ihr Unternehmen reicht von der Charakterisierung von Werkstoffen, der Beratung und Unterstützung bei Entscheidungsprozessen bis zur gemeinsamen Entwicklung neuer Produkte. 

Wir verfügen über ein breites Spektrum an Prüfgeräten zur Charakterisierung von Werkstoffen mit genormten und individuellen Untersuchungsmethoden. 

Wir verfügen über 50 Jahre Erfahrung in der Interpretation physikalisch basierten Werkstoffverhaltens in anwendungsspezifischen Kontexten mittels experimenteller und simulatorischer Untersuchungen. 

Wir sorgen dafür, dass der Einfluss von Mikrostruktur, Prozessrouten, Eigenspannungen und Schädigung auf Funktionalität und Lebensdauer von Bauteilen beschreib- und beherrschbar wird, sodass Sie die Festigkeitsreserven Ihrer Konstruktionswerkstoffe unter extremen Belastungen bestmöglich ausschöpfen können. 

 

Die Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IWM

Sie stehen vor einer werkstofftechnischen Herausforderung und benötigen eine konkrete Lösung? Wir unterstützen Sie bei der Lösungsfindung und Umsetzung. Auftragsforschungsprojekte beginnen mit einem unverbindlichen Beratungsgespräch. Hier wird ausgelotet, welche Ziele erreicht werden können und wie der zeitliche und finanzielle Rahmen aussehen kann. Höchste Professionalität bei der Projektbearbeitung ist unabhängig von der Projektgröße.

Manche Aufgabenstellungen sind komplexer und interdisziplinär, sodass für die Lösung die Expertise mehrerer Fraunhofer-Institute benötigt wird. Für solche Fälle haben wir Erfahrung mit der effizienten und transparenten Abwicklung großer Projekte mit mehreren Fraunhofer-Instituten. Und wir wissen, welche Fördermöglichkeiten dafür infrage kommen.

Mit öffentlich – von Land, Bund oder EU – geförderten Forschungsprojekten erschließen Industrieunternehmen gemeinsam mit Forschungseinrichtungen neue Themen. Für ein Verbundvorhaben beantragen Industriepartner und Forschungseinrichtungen gemeinsam Fördermittel. Das Ergebnis solcher Projekte sind vorwettbewerbliche Erkenntnisse und breit anwendbare Methoden. Diese können beispielsweise im Rahmen der Auftragsforschung an unternehmensspezifische Anforderungen und Anwendungen angepasst und übertragen werden.

Das Fraunhofer IWM wirkt als Beschleuniger in Entwicklungs- und Innovationsprozessen. Mit einer strategischen Partnerschaft haben Sie einen geregelten Zugriff auf unser wachsendes Know-how und auf unsere technischen Möglichkeiten. Damit bekommen Sie Planungssicherheit für Ihre Forschungs- und Innovationsvorhaben.

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