Einfluss der lokalen Wasserstoffverteilung in mehrphasigen Stählen auf deren Neigung zur wasserstoffinduzierten Rissbildung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Wasserstoff gilt als grüner Energieträger zur Reduzierung von CO2-Emissionen. Insbesondere hochfeste Stähle mit einer Festigkeit über 800 MPa unterliegen jedoch dem Risiko der wasserstoffinduzierten Rissbildung bzw. Wasserstoffversprödung. Die Empfindlichkeit von Stählen für Wasserstoffversprödung hängt neben der Werkstofffestigkeit auch vom intrinsischen Wasserstoffgehalt ab. Hierbei ist es von besonderer Relevanz, dass sich Wasserstoffkonzentrationsgradienten infolge von lokal unterschiedlichen Spannungszuständen ausbilden können. Elastisch stärker gedehnte Werkstoffbereiche, beispielsweise verursacht durch Kerben, Absätze oder Oberflächendefekte, weisen eine erhöhte Wasserstofflöslichkeit auf (Gorsky-Effekt), sodass lokal risskritische Wasserstoffkonzentrationen erreicht werden können. Auch die spezifischen Gefügephasen wie Martensit, Bainit, Perlit oder Ferrit beeinflussen den lokalen Wasserstoffgehalt durch unterschiedliche Festigkeiten, Löslichkeiten und Diffusionskoeffizienten. Dies alles führt dazu, dass das Risiko wasserstoffinduzierter Rissbildung nicht allein durch Wasserstoffanalysen an großvolumigen Proben erfolgen kann. Vielmehr muss der lokale Wasserstoffgehalt unter Berücksichtigung der anliegenden Spannung sowie der jeweiligen Gefügephasen ermittelt werden. Im vorliegenden Projekt wurden Proben aus dem Vergütungsstahl C60E (Werkstoff-Nr. 1.1221) durch unterschiedliche Wärmebehandlungsrouten in insgesamt sieben Werkstoffmodifikationen mit variierenden Festigkeiten und Gefügebestandteilen überführt. Die Proben wurden mit Wasserstoff beladen und unter elastische Spannung gesetzt. Durch Einbringung eines definierten Kerbs wurden Spannungsgradienten innerhalb der Proben eingestellt, sodass sich der Wasserstoff in den gespannten Proben unterschiedlich verteilt hat. Die lokalen Wasserstoffkonzentrationen wurden durch elektrochemische Mikrokapillarmessungen ermittelt, wobei der Messfleck einen Durchmesser von 2 bis 4 µm aufwies. Hierdurch konnten die Messungen innerhalb einzelner Gefügekörner durchgeführt werden, sodass neben der spannungsabhängigen Wasserstoffkonzentration auch die Gefügeabhängigkeit nachgewiesen werden sollte. Mithilfe der beschriebenen Untersuchungen konnte die Abhängigkeit der lokalen Wasserstoffkonzentration von der anliegenden Spannung nachgewiesen werden. Im vergüteten Martensitzustand wurde ein lokaler „Aufkonzentrationsfaktor“ ermittelt, der um das Fünffache über dem Grundwasserstoffgehalt liegen kann. Diese Ergebnisse sind von hoher technischer Relevanz, da sie es erlauben, Werkstoffsicherheitsbeiwerte für Wasserstoffanwendungen zu definieren. Die gefügespezifische Wasserstoffkonzentration ließ sich mit der verwendeten elektrochemischen Mikrokapillartechnik jedoch nicht konkludent nachweisen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass das während der Messung aufgenommene Signal aus einem Volumen mit etwa 100 µm Durchmesser stammt, was die mittlere Korngröße von ca. 15 µm deutlich übersteigt. Es werden daher immer mehrere Körner sowie dazwischenliegende Korn- und Phasengrenzen erfasst.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
-
Differenzierende Wasserstoffanalytik zum Nachweis von Wasserstoffversprödung. In: Tagungsband zur „Tagung Werkstoffprüfung 2021 – Werkstoffe und Bauteile auf dem Prüfstand“. Hrsg.: S. Brockmann & U. Krupp
Jürgensen, J. & Pohl, M.
-
Impact and Detection of Hydrogen in Metals. HTM Journal of Heat Treatment and Materials, 78(5), 257-275.
Jürgensen, J. & Pohl, M.
-
Local Hydrogen Measurements in Multi-Phase Steel C60E by Means of Electrochemical Microcapillary Cell Technique. Metals, 13(9), 1585.
Jürgensen, Jens & Pohl, Michael
