Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWMWasserstoffversprödung verursacht bei der Umformung hhochfester verzinkter Stähle unerwartete Kantenrisse, die ganze Produktionschargen zu Ausschuss machen. Dieses Projekt entschlüsselt systematisch das Zusammenspiel von Trennverfahren, Liegezeit und Wasserstoffdiffusion an Schnittkanten von hochfesten Stählen. Durch die Kombination aus definierter Wasserstoffbeladung, modernster Mikrostrukturanalytik und gekoppelter Simulation wird der zeitabhängige Schädigungsmechanismus quantifiziert. Die Ergebnisse münden in praxistaugliche Handlungsempfehlungen für optimale Prozessrouten (Schneiden – Lagern – Umformen). Damit können Unternehmen das volle Umformvermögen höchstfester Stähle sicher ausschöpfen und gleichzeitig Ausschusskosten drastisch senken.
Vermeidung wasserstoffinduzierte Rissbildung von vorgefertigten Platinen und Halbzeugen
Laufendes Forschungsprojekt
Projektbeschreibung
Marktbedarf und Herausforderungen
Hochfeste Dual- und Complexphasenstähle sind Schlüsselwerkstoffe für den automobilen Leichtbau, das Walzprofilieren und zunehmend auch für Komponenten der Wasserstoffwirtschaft. Ihre Verarbeitung – endkonturnahes Schneiden gefolgt von Umformung – ist energie- und ressourceneffizient und wird in der Umformtechnik, dem Werkzeugbau und der Metallverarbeitung intensiv genutzt. Beim Scherschneiden verzinkter höchstfester Bleche entsteht an der Schnittkante eine Zone extremer Verformung und hoher Eigenspannungen. In diese Zone diffundiert zeitabhängig der durch die Zinkbeschichtung im Stahl eingeschlossene Wasserstoff. Die Folge sind spontane Kantenrisse bei der nachfolgenden Umformung – oft erst nach einer bestimmten Liegezeit zwischen Beschnitt und Weiterverarbeitung. Die Vorhersage des Versagens war bislang nicht möglich.
Beitrag des Projekts
Das IGF-Vorhaben „H2-Rissbildung" untersucht systematisch die Wechselwirkung zwischen Trennverfahren (Scherschneiden, Laserschneiden, Wasserstrahlschneiden), zeitabhängiger Wasserstoffdiffusion und Kantenrissempfindlichkeit. Am Fraunhofer IWM werden Proben definiert mit Wasserstoff beladen, die Schnittkanten mittels Nanoindentation, EBSD und Wasserstoffanalytik (TGH/TDS) charakterisiert sowie gekoppelte Mikrostruktur- und Diffusionssimulationen durchgeführt. Das Fraunhofer IWU führt drei komplementäre Kantenrissprüfverfahren unter systematischer Variation von Liegezeit, Beladungsgrad und Werkstoff durch. Als Kernergebnis entstehen zwei Handlungsempfehlungen: eine für optimale Prozessrouten (zeitliche Abfolge Schneiden–Lagern–Umformen) und eine für geeignete Prüfmethoden zur Bewertung der Kantenrissempfindlichkeit wasserstoffbeladener Bleche.
Die Arbeitspakete des Fraunhofer IWM:
Das Fraunhofer IWM stellt definierte Wasserstoffgehalte ein und analysiert den Wasserstoff mittels thermischer Desorptionsspektroskopie (TDS) und Trägergasheißextraktion (TGH). Darüber hinaus analysiert das Institut die Wechselwirkung zwischen hoch umgeformten Bereichen und der Wasserstoffaufnahme, um die Grundlage für die Validierung von Simulationsmodellen zu liefern.
Das Fraunhofer IWM entwickelt einen gekoppelten Simulationsansatzes, der den Einfluss des hochverformten Gefüges an der Schnittkante auf die Wasserstoffversprödung quantifiziert. Diese Simulation soll eine quantitative Vorhersage, wann und wo kritische Wasserstoffkonzentrationen an der Schnittkante erreicht werden, ermöglichen und damit die Ableitung allgemeiner Regeln zur Minimierung des Versagensrisikos erlauben.
Auf der Grundlage der Projektergebnisse kann das Fraunhofer IWM Industrieunternehmen folgende Forschungs- und Entwicklungsleistungen anbieten:
Bewertung der Wasserstoffempfindlichkeit für hochfeste Stähle
Das Fraunhofer IWM bietet eine umfassende Charakterisierung, einschließlich definierter Wasserstoffbeladung, Mikrostrukturanalytik mittels EBSD und Nanoindentation sowie quantitativer Wasserstoffmessung über TDS und TGH. Zudem können Wasserstoffpermeationsmessungen sowie eine mechanische Charakterisierung von Werkstoffen nach Wasserstoffbeladung oder unter in situ Beladung durchgeführt werden.
Ihr Nutzen:
- Belastbare Aussagen, ob und ab welcher Liegezeit die eigene Prozesskette ein Risiko für wasserstoffinduzierte Kantenrisse birgt
- Vermeidung kostspieliger Chargenausfälle durch frühzeitige Risikoerkennung
- Sichere und fundierte Prozessplanung auf Basis werkstoffspezifischer Messdaten
- Ermittlung der Empfindlichkeit von Werkstoffen gegenüber Wasserstoffversprödung
Gekoppelte Mikrostruktur- und Wasserstoffdiffusionssimulation für individuelle Werkstoffe und Prozesse
Das Fraunhofer IWM erstellt werkstoff- und prozessspezifische Simulationsmodelle, die die zeitabhängige Wasserstoffumverteilung in unterschiedlichen Mikrostrukturzuständen quantitativ berechnen.
Ihr Nutzen:
- Virtuelle Ermittlung kritischer Liegezeiten, optimaler Prozessreihenfolgen und sicherer Umformfenster
- Deutliche Reduzierung aufwändiger und teurer experimenteller Versuchsreihen
- Digitales Werkzeug für die Prozessauslegung und vorausschauende Schadensvorbeugung
