Experimentelle und rechnerische Untersuchungen zum Einfluss von Wasserstoff und Mikrostruktur auf das Ermüdungsverhalten von Duplex-Stählen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Ulrich Krupp; Professor Dr.-Ing. Thomas Seifert
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 504195877

Im Kontext der Energiewende werden Duplex-Stähle zunehmend im Bereich der Offshore-Technik eingesetzt, wo sie durch kathodische Polarisation dem Einfluss von Wasserstoff ausgesetzt sind. Dies kann bei Duplex-Stählen zur Rissbildung infolge von Wasserstoffversprödung führen. Die Wirkung des Wasserstoffs im zweiphasigen Gefüge des Duplex-Stahls ist äußerst vielschichtig. Aufgrund der unterschiedlichen elastisch-plastischen Eigenschaften beider Phasen kommt es zu inneren Spannungen an den Phasengrenzen, welche die Wasserstoffdiffusion beeinflussen. Im DFG-Vorgängerprojekt „Experimentelle und numerische Untersuchungen zur Verfestigung in Ein- und Polykristallen bei zyklischer Belastung“ konnten verschiedene Einflussfaktoren bezüglich der Mikrostruktur auf das zyklische Plastizitätsverhalten des Duplex-Stahls 1.4462 sowohl experimentell als auch rechnerisch analysiert und quantifiziert werden. Der Einfluss dieser Faktoren auf die Wasserstoffversprödung im Duplex-Stahl bei zyklischer Belastung wird im aktuellen Stand der Forschung jedoch nicht berücksichtigt. Es ist davon auszugehen, dass die transiente inhomogene Spannungsverteilung bei zyklischer Belastung die Wasserstoffdiffusion im zweiphasigen Duplex Gefüge beeinflusst und zu einer von der Zykluszeit sowie der globalen und lokalen Wasserstoffkonzentration abhängigen Ermüdungsschädigungsentwicklung führt. Daher ist es das Ziel dieses Vorhabens ein Verständnis des Zusammenwirkens von Werkstoff und Belastungsgeschichte auf die Wasserstoffversprödung von Duplex-Stählen zu gewinnen. Mit dem Verständnis über das Zusammenwirken lassen sich Materialeigenschaften gezielt durch die Optimierung der zweiphasigen Mikrostruktur an die Anwendungsbedingungen anpassen und Lebensdauererhöhungen der Bauteile erreichen. Die Untersuchung der Wasserstoffversprödung im Duplex-Stahl wird in diesem Vorhaben durch einen kombinierten Ansatz aus experimentellen und numerischen Analysen ermöglicht. Die experimentellen Untersuchungen an der RWTH Aachen University umfassen die Quantifizierung der Wasserstoffversprödung und Analyse der Versagensmechanismen für unterschiedliche Gefügezustände. Einflussfaktoren werden systematisch analysiert und hinsichtlich ihrer Relevanz bewertet. Zudem werden die Ursachen der beobachteten Effekte auf mikrostruktureller Größenskala erforscht und fortschrittliche Analysemethoden eingesetzt. Hierbei leisten die rechnerischen Analysen anhand mikrostruktursensitiver Modelle der Hochschule Offenburg einen essentiellen Erklärungsbeitrag. Die Modelle beinhalten statistische Informationen zur polykristallinen Mikrostruktur und nutzen ein Einkristallplastizitätsmodell für zyklische Belastungen. Die im Vorhaben umgesetzte gekoppelte Berechnung von Mechanik und Diffusion bei zyklischer Belastung ermöglicht die lokale Analyse der inneren Spannungen und Wasserstoffkonzentrationen, woraus kritische lokale Zustände im Gefüge bezüglich Wasserstoffversprödung identifiziert werden können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen