Mit Computersimulationen Wasserstoff in Metallbauteilen aufspüren

5.3.2012

Um Bauteile aus modernen Metallen für leichtere Autos, Satellitenträgerraketen oder fortschrittliche Kraftwerke sicherer und unempfindlicher gegenüber Wasserstoff zu machen, entwickelt das Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM in dem mit 3,4 Mio. Euro geförderten EU-Projekt »MultiHy« moderne Computersimulationen. Die Simulationen sollen vorhersagen und bewerten können, wie anfällig verschiedene Materialien und Bauteile für die sogenannte Wasserstoffversprödung sind. Dabei müssen die komplexe Mikrostruktur der Werkstoffe, realistische Einsatzbedingungen und typische mechanische Beanspruchungen berücksichtigt werden.

© Foto Fraunhofer IWM

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

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.

Koordinator des Projekts MultiHy

Dr. Nicholas Winzer
Telefon +49 761 5142-256
E-Mail senden
www.multihy.eu