Lokale Wasserstoffbestimmung vor Kerben und Rissspitzen mithilfe eines elektrochemischen Analyseverfahrens

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Michael Pohl
• Subject Area: Metallurgical, Thermal and Thermomechanical Treatment of Materials
• Term: from 2010 to 2013
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 166725036

Hochfeste Stähle zeigen häufig ab einer Werkstofffestigkeit > 800 MPa und in Anwesenheit von wasserstoffhaltigen bzw. korrosionsfördernden Medien eine Anfälligkeit für verzögerte Rissbildung (Delayed Cracking). Das durch Wasserstoff ausgelöste Bauteilversagen tritt dabei plötzlich und ohne vorherige Ankündigung, z.B. durch eine plastische Verformung des Bauteils, ein. Im Allgemeinen konzentriert sich dabei der im Gefüge atomar vorliegende Wasserstoff in Bereichen erhöhter Zugspannung, wie z.B. vor Kerben auf, in denen das Kristallgitter elastisch aufgeweitet ist. Bei Erreichen einer kritischen Wasserstoffkonzentration kommt es dann zum Bauteilversagen durch Dekohäsion der metallischen Bindungen. Dabei sind bis heute keine tolerierbaren Wasserstoffgrenzwerte festgelegt unterhalb derer - in Abhängigkeit von der Werkstofffestigkeit und der mechanischen Spannung - ein Bauteilversagen ausbleibt. Von besonderem Interesse ist diese Fragestellung für die Automobilindustrie, die seit einigen Jahren hochfeste Mehrphasenstähle für den Karosseriebau einsetzt. Bislang liegen zu diesen Stählen nur geringe Erfahrungswerte hinsichtlich ihrer Anfälligkeit für verzögerte Rissbildung unter Wasserstoffeinfluss vor. Erst bei genauer Kenntnis von unschädlichen Wasserstoffgrenzwerten wird die Automobilindustrie die hoch- und höchstfesten Karosseriestähle mit Festigkeiten von derzeit bis zu 1400 MPa einsetzen, wobei durch Kaltferfestigung bei formgebenden Prozessen die Anfälligkeit für verzögerte Rissbildung noch zunehmen kann.Dieses Forschungsvorhaben will mit Hilfe eines elektrochemischen Analyseverfahrens lokale Wasserstoffanalysen im Bereich vor Kerben und Rissspitzen an typischen in der Automobilindustrie eingesetzten Stählen durchführen, welche ein Festigkeitsspektrum von 700 bis 1400 MPa repräsentieren. Dabei soll mit Hilfe einer mikroelektrochemischen Kapillarmessmethode ausschließlich der für das Werkstoffversagen verantwortliche Wasserstoff analysiert werden. Die Messmethode erlaubt die Wasserstoffanalyse in einem Bereich von wenigen μm2, wodurch der sich vor Kerben anreichernde und bruchverursachende Wasserstoff ortsaufgelöst nachgewiesen werden kann. Durch eine Kalibration des Analyseverfahrens mit zuvor definiert mit Wasserstoff beladenen Proben sollten quantitative Angaben möglich sein, um die bruchauslösenden Wasserstoffgehalte nachzuweisen.Ziel des Projekts ist es, die zum verzögerten Werkstoffversagen führenden kritischen Wasserstoffkonzentrationen zu bestimmen und sie in Korrelation zur Werkstofffestigkeit und den einwirkenden Zugspannungen zu setzen. Die Untersuchungen sollen in Zukunft zu einem sicheren Einsatz von hochfesten Stählen beitragen.

• DFG Programme: Research Grants