Einfluss von Wasserstoff auf metallische Werkstoffe
Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM
© Fraunhofer IWM- Wasserstoff induzierter Sprödbruch in der Einsatzhärtezone eines Stahls.
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
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
- Wasserstoffeffusionskurven bei kontrolliertem Ausheizen an zwei Beispielen.
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