Die Wirkung von Wasserstoff auf Werkstoffe verstehen, beherrschen und nutzen

Wasserstoffforschung am Fraunhofer IWM

Wasserstoff spielt in allen Zukunftsszenarien der Energiewirtschaft eine prominente Rolle. Als verbindendes Element zwischen unterschiedlichen Bereichen der Energieversorgung trägt Wasserstoff zu einer nachhaltigen Umwandlung, Speicherung und Nutzung von Energie bei. Wasserstofftechnologie unterstützt den Ausbau erneuerbarer Energiesyteme und die Vermeidung des CO2-Ausstoßes.
Fertigungs- oder betriebsbedingt kann Wasserstoff in atomarer Form eingelagert werden und strukturelle Schädigungsmechanismen in Gang setzen, die Bauteilversagen bewirken. Daher sind bei vielen Materialien, insbesondere Hochleistungswerkstoffen im Kontakt mit Wasserstoff, während der Entwicklung, der Fertigung und des Einsatzes Diffusions-, Reaktions- und Schädigungsprozessen zu beachten, um einen sicheren Betrieb und eine lange Lebensdauer von Systemen im Kontakt mit Wasserstoff zu gewährleisten.

 

Wasserstoff @ Fraunhofer IWM


Eine fortschrittliche Beschreibung und Bewertung der Wirkung von Wasserstoff auf Werkstoffe berücksichtigt Mechanismen auf makroskopischen und mikrostrukturellen Skalen ebenso wie auf der atomaren Skala und überträgt diese Mechanismen in zuverlässige Lebensdauervorhersagen und Risikoeinschätzungen. Genau diesen Ansprüchen wird das Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM mit seinem Forschungs- und Entwicklungsschwerpunkt Werkstoffe im Kontakt mit Wasserstoff gerecht.

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Anwendungsspezifische Bewertung und Qualifizierung von Werkstoffen

© Fraunhofer IWM

Zugversuch mit Wasserstoffbeaufschlagung / Permeationsversuch unter Last.

Experimentelle Bestimmung des diffusiblen und getrappten Wasserstoffs in Werkstoffen, Dichte der Wasserstofffallen und deren Bindungsenergien.

In situ-Degradations- und Festigkeitsuntersuchungen unter statischer, dynamischer, zyklischer und thermischer Belastung.

Bestimmung bruchmechanischer Kennwerte unter Druck- oder elektrochemisch angebotenem Wasserstoff.
 

Kontakt: 

Ken Wackermann, Telefon: +49 761 5142-492, E-Mail senden 
Wulf Pfeiffer, Telefon: Telefon +49 761 5142-166, E-Mail senden

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Werkstoffdesign für Wasserstofftechnologien

© Fraunhofer IWM

Mikro- und multiskalige mechanistische Modellierung von Wasserstoff in Werkstoffen mit quantenmechanischen und atomistischen Computersimulationsmethoden

Simulation der Diffusion und Reaktion von Wasserstoff in metallischen und keramischen Werkstoffen

Berechnung von Bindungsenergien, Aktivierungsenergien, struktur- und temperaturabhängigen Diffusivitäten von Wasserstoff in Materialgefügen

Computational Design, Optimierung und Screening von Einlagerungsverbindungen für Wasserstoff als Funktionsmaterialien für Energiesysteme, Metallhydridspeicher, Ionenbatterien und Brennstoffzellen

Experimentelle mikromechanische Beobachtung und Aufklärung von wasserstoffinduzierten Materialschädigungsprozessen an mikroskaligen Werkstoffproben


Kontakt:

Daniel Urban, Telefon: +49 761 5142-492-378, E-Mail senden

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Wasserstoff in tribologischen Systemen

© Fraunhofer IWM

White etching cracks unterhalb der wälzbeanspruchten Lagerlaufbahn.

Risikobewertung von Schmierstoffen hinsichtlich wasserstoffinduzierter Gleit- und Wälzlagerschäden

Konzepte zur Vermeidung von wasserstoffinduzierter Oberflächenschädigung unter tribologischer Beanspruchung

Modellierung von Wasserstoff im Tribokontakt 

Kontakt:

Dr. Dominik Kürten, Telefon: +49 761 5142-148, E-Mail senden 

 

 

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Wasserstoff in Fertigungsprozessen

© Fraunhofer IWM

Galvanisch abgeschiedene, mikrorissige Hartchromschicht

Analyse der Fertigungskette hinsichtlich temporärem und dauerhaftem Wasserstoffeintrag

Modellierung von Effusionsbehandlungen

Modellierung und Bewertung von Kaltrissen in Schweißverbindungen

 

Kontakt:

Johannes Preußner, Telefon: +49 761 5142-101, E-Mail senden 
Frank Schweizer, Telefon: +49 761 5142-122, E-Mail senden

 

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Festigkeitsanalysen und Lebensdauermodellierung

© Fraunhofer IWM

Skalenübergreifende Modellierung der wasserstoffunterstützten Rissausbreitung.

Festigkeitsanalysen und Versagensbewertung für Bauteile

Diffusionsgesteuerte Rissausbreitungsmodelle

Lebensdauermodelle (DTMF) für Bauteile unter Wasserstoffversprödung
 

Kontakt:

Johannes Preußner, Telefon: +49 761 5142-101, E-Mail senden
Ken Wackermann, Telefon: +49 761 5142-492, E-Mail senden

 

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Themen

 

Schädigung metallischer Werkstoffe durch Wasserstoff

 

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 in Eisen und Stahl


Das Eindringen von Wasserstoff in Metalle verursacht eine Degradation von deren mechanischer Stabilität, ein als Wasserstoffversprödung bekanntes Phänomen. Die Wasserstoffversprödung beeinflusst fast alle Metalle und verursacht erhebliche technische und wirtschaftliche Schäden.  Am IWM werden die Einlagerung und die Wanderung von Wasserstoffatomen in Eisen und Nickel durch quantenmechanische und atomistische Computersimulationen ... 

 

NZP-Materialien als Festkörperelektrolyte für Lithium-Ionen-Batterien


Ionenleitende Festkörper als Elektrodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien können deren Betriebssicherheit deutlich erhöhen. Von NaZr2(PO4)3 (NZP) abgeleitete Materialien zeigen durch ein dreidimensionales Kanalnetz in der Kristallstruktur hohe Ionenleitfähigkeiten. Mit Methoden der Dichtefunktionaltheorie und mit atomistischen Simulationen wird die Li-Ionen-Diffusion ...

 

Schweißverbindungen

 

Wir entwickeln für Sie Lösungen, mit denen Sie den Schweißprozess in Ihrer Anwendung verbessern können, und unterstützen Sie bei der Bewertung von Schweißverbindungen: Wurde die Schweißung richtig ausgeführt? Sind Hohlräume, Poren oder Bindefehler entstanden oder wurde nicht vollständig durchgeschweißt, haben Sie ungünstige Eigenspannungszustände...

 

Ganzheitliche Schadensanalysen über alle relevante Fertigungsstufen

 

Wir beantworten Ihre Fragestellungen, die sich durch Ausfälle im Betrieb oder in der Qualitätssicherung von Prozessen der industriellen Fertigung ergeben. Die fundierte Aufklärung von Schadensfällen an...

 

Aufklärung von Verformungs- und Schädigungsmechanismen

 

Unter thermischen und mechanischen Belastungen können sich transkristalline und interkristalline Risse wie auch Kriechporen bilden und wachsen. Außerdem können Diffusions- und Korrosionsprozesse den Werkstoff schädigen und Gefügeveränderungen zu einer beträchtlichen Veränderung der mechanischen Eigenschaften führen. Bei der Werkstoffmodellentwicklung bzw. Bauteilauslegung ist es daher wichtig...

Gruppen am Fraunhofer IWM, die sich mit dem Thema Wasserstoff befassen

Mikrostruktur, Eigenspannungen

 

Wir untersuchen den Einfluss von Herstellungsverfahren und Betriebsbeanspruchungen auf die Mikrostruktur und den Eigenspannungszustand von Werkstoffen ...

Verschleißschutz, Technische Keramik

 

Wir prüfen, bewerten und simulieren numerisch die Wirkung von gewollten und ungewollten Veränderungen in tribologischen Kontakten von Keramik...

 

Materialmodellierung

 

Mit simulatorischen Methoden, basierend auf der theoretischen Festkörperphysik und Werkstoffmechanik, klären wir Materialverhalten auf und sagen Materialeigenschaften vorher...