Wasserstoffversprödung metallischer Werkstoffe

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Atomarer Wasserstoff ist in der Lage, die Zähigkeit metallischer Werkstoffe entscheidend zu reduzieren. Dies kann zu unerwartetem Versagen von Bauteilen und Komponenten führen. Man spricht generell von Wasserstoffversprödung. Die unterschiedlich ausgeprägte Anfälligkeit für Wasserstoffversprödung bei sonst vergleichbaren Festigkeitseigenschaften schränkt die Werkstoffauswahl ein.

Wasserstoff kann durch unterschiedliche Prozesse in die Werkstoffe gelangen: durch Beladung mit gasförmigem Wasserstoff und durch elektrochemische Prozesse (z.B. Korrosion oder galvanische Beschichtung). 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.

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Zugprüfmaschine für Versuche an Hohlproben mit Gasinnendruck

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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Wasserstoffversprödung charakterisieren und simulieren

 

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

Experimentelle Untersuchungen

 

Elektromechanische Prüfmaschinen 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

Licht- und Elektronenmikroskopie

Röntgendiffraktometrie

Metallographie

 

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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

 

Simulation der zeitlichen und örtlichen Wasserstoffverteilung aufbauend auf dem Diffusions- und Trappingverhalten in Bauteilen und Bauteilbereichen (z.B. in Schweißnähten, Randschichten)

Modelle zur Vorhersage der wasserstoffunterstützten Rissbildung und Berechnung der statischen Belastungsgrenzen für beliebige Bauteilgeometrien

Lebensdauerabschätzung bei wasserstoffunterstützter Rissausbreitung

Atomistische Simulation von Bindungsenergien des Wasserstoffs im Kristallgitter und Bewertung unterschiedlicher Trapplätze

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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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Literaturauswahl

Wackermann, K.; Pfeiffer, W.; Wasserstoffversprödung und Testmethoden - Eigenarten der Wasserstoffversprödung und standardisierte Testmethoden; Konstruktion September 9 (2016) IW14 - IW15 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

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