Grundlagen für die Bemessung Druckwasserstoff exponierter Komponenten unter Berücksichtigung werkstoffspezifischer Schädigungsmechanismen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Tobias Melz; Professor Dr.-Ing. Matthias Oechsner
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Beschichtungs- und Oberflächentechnik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 271741688

Die Verknappung fossiler Rohstoffe sowie jüngste Entwicklungen in der internationalen Automobilindustrie belegen die zunehmende Bedeutung von Wasserstoff als Kraftstoff der Zukunft. Damit einher geht die Notwendigkeit zur Entwicklung und Qualifizierung neuer Werkstoffe und der Berücksichtigung des Wasserstoffeinflusses bei der Auslegung wasserstoffexponierter Bauteile. Während die grundsätzliche Charakterisierung des Werkstoffverhaltens von Stählen unter Druckwasserstoff oder elektrolytischer (Vor-)Beladung Gegenstand zahlreicher Forschungsvorhaben ist, verfolgt das geplante Projekt das Ziel, Grundlagen für die Auslegung zyklisch beanspruchter wasserstoffexponierter Komponenten unter Berücksichtigung der Werkstoffeigenschaften zu erarbeiten. Im Fokus der Arbeiten stehen das örtliche Dehnungskonzept (ÖK) zur Bauteilbemessung sowie die Adaption des hierzu erforderlichen Übertragbarkeitskonzeptes des höchstbeanspruchten Werkstoffvolumens (ÜHBV) hinsichtlich eines dehnungsamplitudenabhängigen Permeationsvolumens. Das für die Anwendung an Luft etablierte ÖK beruht auf der Annahme, dass lokale Vorgänge an kritischen Stellen für die Entstehung von Ermüdungsrissen und damit die resultierende Lebensdauer verantwortlich sind, unabhängig von der Komplexität der Geometrie. Während für den Anwendungsfall an Luft davon ausgegangen wird, dass der Spannungsgradient in der Komponente sowie die Prüffrequenz nahezu keinen Einfluss auf das Ergebnis nehmen, ist ein solcher bei Wasserstoffexposition zu erwarten. Um die Einflussgrößen quantifizieren zu können, werden dehnungs- und kraftgeregelte Ermüdungsversuche an Luft sowie unter Druckwasserstoff mit gekerbten und ungekerbten Proben mit unterschiedlichen Prüffrequenzen durchgeführt. Der Einfluss der mechanischen Beanspruchung auf den Diffusionskoeffizienten sowie das Trappingverhalten wird auf ausgewählten Lasthorizonten über elektrochemische Permeationsversuche unter statischer und zyklischer Beanspruchung in Spannungs- und Dehnungsregelung untersucht und den Ergebnissen ohne mechanische Beanspruchung gegenübergestellt. Die Ermittlung von Permeationsstromdichte-Zeit-Verläufen erlaubt zudem eine Beurteilung der Wasserstoffaktivität in Abhängigkeit von Zeit und mechanischer Beanspruchung. Um anhand der wirksamen Wasserstoffmenge Rückschlüsse auf die mögliche Gefährdung durch Wasserstoffversprödung zu ziehen, wird zudem der im Ermüdungsversuch und den Permeationsmessungen in Abhängigkeit der Dehnung/Spannung aufgenommene Wasserstoffgehalt nach Versuchsende quantifiziert. Eine weitreichende Aussagekraft der Ergebnisse wird durch die Auswahl von zwei Stählen mit austenitischen und ferritischen Gefüge gewährleistet, die deutliche Unterschiede hinsichtlich ihres Trapping- und Diffusionsverhaltens aufweisen. Auf Basis der Untersuchungsergebnisse werden Anwendungsgrenzen des ÖK bei Wasserstoffbeaufschlagung aufgezeigt und notwendige Anpassungen für das ÜHBV sowie eine geeignete experimentelle Kennwertermittlung abgeleitet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen