Reduzierung der Ermüdungslebensdauer von Stählen durch Druckwasserstoff als Folge der Veränderung der Kurzrissausbreitungsmechanismen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Hans Jürgen Christ; Professor Dr.-Ing. Claus-Peter Fritzen; Professor Dr.-Ing. Stefan Weihe, seit 10/2015
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 251753485

Die der Werkstoffschädigung durch Einwirkung von Wasserstoff zugrundeliegenden Mechanismen sind trotz vielfältiger Forschungsaktivitäten bislang noch nicht eindeutig geklärt. Die wasserstoffinduzierten Schädigungsprozesse werden einerseits durch Einflussgrößen werkstoff-, belastungs- und mediumsspezifischer Art beeinflusst. Anderseits können die Hauptmechanismen der Wasserstoffversprödung (HELP, HEDE, AIDE, HESIV sowie Drucktheorie) kombiniert vorkommen, so dass in den verschiedenen Stadien der Werkstoffschädigung unterschiedliche Versprödungs-mechanismen die dominierende Rolle übernehmen. Darüber hinaus liegen für den Fall der zyklischen Beanspruchung für die meisten Werkstoffe keine grundlagenorientierten Untersuchungen der Wasserstoffversprödung vor.Im Rahmen des beantragten Forschungsvorhabens sollen die Mechanismen der wasserstoffinduzierten Werkstoffschädigung unterschiedlicher Stahltypen im LCF/HCF-Bereich charakterisiert und in einer mikrostrukturbasierten Modellierung und Simulation abgebildet werden. Aus praxisnahen Gründen werden zwei Stähle mit unterschiedlichen Gefügen und Wasserstoffabsorptionsgraden aus unterschiedlichen Anwendungsbereichen ausgewählt: der metastabile austenitische Stahl X2CrNi19-11 und der weichmartensitische Stahl X3CrNiMo13-4. Zu diesen Stählen steht ein umfangreicher Datenbestand zur Beschreibung der Auswirkung unterschiedlicher Parameter auf die mechanischen Eigenschaften unter Wasserstoffeinfluss zur Verfügung. Basierend auf Ermüdungsversuche in Vakuum als Referenz sowie unter Druckwasserstoff und -helium sollen gezielte metallografische und fraktografische Mikrostrukturuntersuchungen die Auswirkung von Wasserstoff auf den Werkstoffschädigungsprozess (Versetzungsumordnung, Kurzrisswachstum, Phasenumwandlung) aufzeigen. Dadurch kann die Schädigungsentwicklung nach Entstehungsort und Häufigkeit des Auftretens über den Großteil der Ermüdungslebensdauer von der Bildung eines mikrostrukturellen Risses bis zum Übergang zur Langrissausbreitung verfolgt werden.Die experimentell charakterisierten Schädigungsmechanismen unter Wasserstoffeinfluss sollen in ein physikalisch basiertes Simulationsmodell überführt werden. Durch die Berücksichtigung der entsprechenden Mechanismen in einem bereits entwickelten und auf der Randelementemethode basierenden Modell zur Nachbildung der Kurzrissausbreitung kann der Einfluss von Wasserstoff auf die mikrostrukturelle Schädigungsentwicklung systematisch beschrieben werden. Somit trägt die Modellierung zu einem besseren Verständnis der Werkstoffschädigung unter Wasserstoff bei. Die aus den Experimenten gewonnenen Erkenntnisse und die darauf basierende Modellentwicklung sollen eine optimale Werkstoffausnutzung für im Betrieb unter Wasserstoffeinwirkung stehende Bauteile schaffen und die zielgerichtete Mikrostrukturanpassung vorantreiben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Karl Maile, bis 10/2015