So halten Werkstoffe den Wechselwirkungen mit korrosiven Medien stand

Versuchseinrichtung zur Durchführung von temperierten Ermüdungs- und Zugversuchen unter Druckwasserstoff, Stickstoffatmosphäre und Umgebungsluft.
Ursula Raapke / Fraunhofer LBF

Wasserstofftechnologie…

Die Nutzung von Wasserstoff als Energieträger stellt sehr hohe Anforderungen an die Sicherheitstechnik und Betriebsfestigkeit von Bauteilen, da bereits geringe Wasserstoff-Anteile mit Umgebungsluft zu einer Versprödung von Werkstoffen führen können. Mittels individueller und variabler Analysekonzepte werden am Fraunhofer LBF beispielsweise Untersuchungen unter Druckwasserstoff durchgeführt. Damit können relevante Schädigungsmechanismen identifiziert und Kennwerte zur Modellbildung und zur Ableitung von geeigneten Bemessungskonzepten für wasserstoff-beaufschlagte Bauteile ermittelt werden. Ergebnisse im Kontext Wasserstoff stellt das Institut auf der »f-cell« vom 14. bis 15. September vor.

Auswirkungen von Korrosion

Korrosive Umgebungsmedien können zu einer starken Reduzierung der Schwingfestigkeit sowohl im Zeit- als auch im Langzeitfestigkeitsbereich führen. Zur Bewertung der Einflüsse unterschiedlicher Werkstoff-Medien-Paarungen stehen am Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF individuelle und variable experimentelle Analysekonzepte zur Verfügung. Die Analyse umfasst die Ermittlung des quasi-statischen sowie zyklischen Werkstoffverhaltens unter konstanten und variablen Belastungsamplituden von Werkstoffproben sowie Bauteilen, auch unter realitätsnahen Umgebungsbedingungen. Anhand der Untersuchungen werden die jeweilig wirksamen Schädigungsmechanismen und darüber hinaus auch das Werkstoffverhalten unter Medieneinfluss ermittelt, welche anschließend in Konzepte zur Berücksichtigung von schwingfestigkeitsmindernden Umgebungsbedingungen einfließen.

Zur Bewertung einer möglichen Wasserstoff-bedingten Anfälligkeit unterschiedlicher Werkstoffe, ist es zwingend notwendig einsatzabhängig deren quasi-statisches und zyklisches Werkstoffverhalten beschreiben zu können. Nur hiermit kann ausgeschlossen werden, dass aufgrund von Unkenntnis ein frühzeitiges Versagen von Bauteilen und Systemkomponenten auftritt, was möglicherweise zu fatalen Folgen für den Nutzer führen könnte.

Untersuchungen unter Druckwasserstoff

Die Untersuchung des quasi-statischen und zyklischen Werkstoffverhaltens unter dem Medium Wasserstoff, erfolgt am Fraunhofer LBF seit mehreren Jahren mit speziellen Versuchseinrichtungen zur Durchführung von kraft- und dehnungsgeregelten Versuchen unter Druckwasserstoff mit Gasdrücken von 10 bis 50 bar. »Mithilfe unserer individuellen Analyse- und Versuchskonzepte lassen sich Werkstoffe und Bauteile für die Wasserstoffwirtschaft zuverlässig hinsichtlich ihrer Beanspruchbarkeit und Lebensdauer bewerten«, so Dr. Christoph Bleicher, Leiter der Gruppe Qualifizierung gegossener Komponenten im Fraunhofer LBF.

Werkstoffqualifizierung und Beanspruchbarkeitsanalyse am Beispiel Edelstahl

In einem DFG-Forschungsprojekt wurde der Einfluss von Druckwasserstoff auf das zyklische Werkstoffverhalten des Edelstahls 1.4521 (X2CrMoTi18-2) untersucht. Dazu wurden dehnungsgeregelte Versuche unter 50 bar Druckwasserstoffbeaufschlagung durchgeführt. Der Vergleich der Versuchsergebnisse in Form einer Dehnungswöhlerlinie bei Versuchsdurchführung unter Luft (schwarz), zeigt im Vergleich zu den Ergebnissen unter Druckwasserstoff (blau), dass der schwingfestigkeitsreduzierende Einfluss des Wasserstoffs insbesondere im Kurzzeitfestigkeitsbereich, bzw. bei großen Dehnungsamplituden εa,t, zum Tragen kommt. Der Vergleich der Lebensdauer für eine Totaldehnungsamplitude von εa,t = 0.8 % ergibt eine Reduktion der Anrissschwingspielzahl um den Faktor 20.

Die Auswertung der ermittelten Wechselverformungskurven verdeutlicht, dass das Versagen unter dem Medium Druckwasserstoff im Vergleich zum Versuch an Luft eher unvermittelt und ohne eine ausgeprägte Anrissphase auftritt. Ohne einen erkennbaren Einbruch der Spannung kommt es zum schlagartigen Versagen der Werkstoffprobe bei deutlich geringerer Lebensdauer. Diese Änderung der Materialeigenschaften, insbesondere die Erhöhung der Sprödigkeit, wird durch das Eindringen und die Einlagerung von Wasserstoff in dem Metallgitter verursacht, was als Wasserstoffversprödung bezeichnet wird.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Christoph Bleicher, christoph.bleicher@lbf.fraunhofer.de
Dr. Steffen Schönborn, Steffen.schoenborn@lbf.fraunhofer.de

Weitere Informationen:

http://www.lbf.fraunhofer.de/de/projekte/wasserstoff-zyklische-beanspruchung.htm…

Media Contact

Anke Zeidler-Finsel Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF

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