ThyssenKrupp Werkstoff-Innovationspreis verliehen

Die grundlegenden Mechanismen dieses technischen Problems hat der Bochumer Maschinenbauer Dr.-Ing. Sebastian Kühn erforscht. Damit lässt sich die durch Wasserstoff verursachte Rissbildung in Bauteilen zuverlässig eingrenzen und vermeiden. Für seine herausragende Arbeit zum Nachweis der Sprödbruchsicherheit von modernen hochfesten Karosseriestählen hat er den mit 2.500 Euro dotierten Werkstoff-Innovationspreis 2011 von ThyssenKrupp erhalten.

Das Problem: Wasserstoff-Versprödung

Es genügt bereits die unvorstellbar kleine Menge von 1 ppm (part per million) – das entspricht einem Millionstel Gewichtsprozent (0,000001 %) – Wasserstoff in hochfesten Stählen. Er kann durch Feuchtigkeit bereits in die Stahlschmelze gelangt sein, der Wasserstoff kann aber auch beim Beizen oder durch Korrosion in das fertige Bauteil eindringen. Betroffen sind potenziell alle Bereiche der Technik: herunterfallende Schraubenköpfe von Windenergiemaschinen, brechende Fahrzeugfedern in Eisenbahnen und Kraftfahrzeugen, berstende Kesselrohre in fossil befeuerten Kraftwerken und Risse in hochfesten Karosserieblechen, die in modernen PKW zur Gewichtseinsparung beitragen sollen.

H-Atome: Wie eine Mondfinsternis im Stahl

Wasserstoff mit der Nr. 1 im Periodensystem der Atome ist das kleinste Atom überhaupt. Es hat mit seinen geringen Durchmessern keine Schwierigkeit, in das Atomgitter des Stahls mit seiner wesentlich größeren „Maschenweite“ einzudringen und sich dort sehr schnell zu den am höchsten belasteten Bereichen zu begeben, wo von außen einwirkende Kräfte das Gitter elastisch aufgeweitet haben. Haben sich genügend Wasserstoffatome an einem dieser Punkte zusammengefunden und sich wie eine „Mondfinsternis“ in die Bindungen zwischen den Eisenatomen geschoben, dann können die Eisenatome wie in einer Kettenreaktion ihren Zusammenhalt verlieren und das Bauteil bricht spontan. Da das Zusammenrotten der Wasserstoffatome viele Tage in Anspruch nehmen kann, tritt dieses Versagen zu einem Zeitpunkt ein, der nicht vorherzusagen ist. Daher gehören derartige „Havarien“ zu den unangenehmsten Schadensmechanismen der Technik.

Grenzen der Rissbildung ausgelotet

Dr. Sebastian Kühn hat in seiner Dissertation „Einfluss von diffusiblem Wasserstoff auf die mechanischen Eigenschaften von hochfesten Mehrphasenstählen unter Berücksichtigung der Kaltverfestigung“ nachgewiesen, bis zu welchen Grenzen die modernen hochfesten Karosseriebleche eingesetzt werden können, ohne dass die so genannte wasserstoffinduzierte Rissbildung eintritt (wegen des verzögerten Auftretens und aufgrund der physikalisch-chemischen Vorgänge auch „kathodische Spannungsrisskorrosion“ genannt). Kühn leistet einen wesentlichen Beitrag, um sicher vorhersehen zu können, dass eine Rissbildung ausbleibt. Damit liefert er eine Grundlage für die betriebssichere Anwendung der High-Tech-Stähle unter allen real vorkommenden Belastungsmöglichkeiten für eine Fahrzeugkarosserie.

Erforscht: Was unter Extrembelastungen passiert

In seiner Dissertation gibt Dr. Kühn darüber hinaus mit Hilfe von Experimenten Antwort auf die Frage, was unter Extrembelastungen z. B. an schroffen Querschnittsübergängen oder gar Kerben in Stahlbauteilen passiert: Die Arbeit zeigt beispielsweise, welche Spannungszustände sich dort maximal einstellen, wie viel Zeit unterschiedliche Wasserstoffgehalte jeweils benötigen, um Risse auszulösen, und welcher „ortsspezifische“ Wasserstoffgehalt erreicht wird. Für die Untersuchungen war es nicht nur erforderlich, mit einer Kapillare eine in Mikrometerbereichen messende Wasserstoffanalytik anzuwenden, Dr. Kühn hat zudem die übliche Wasserstoffanalytik mit dem neuen HCA-Verfahren (Hydrogen Collecting Analysis) um mehrere Zehnerpotenzen in der Nachweisgrenze verbessert.

Kooperation RUB und ThyssenKrupp

ThyssenKrupp ist seit knapp zehn Jahren Kooperationspartner der Ruhr-Universität Bochum und vergibt u. a. den Werkstoff-Innovationspreis für hervorragende Leistungen in der Werkstoff-Forschung. Die Kooperation umfasst Tutorenprogramme für Studierende, Informationsveranstaltungen mit unterschiedlichen Schwerpunkten, Exkursionen zu den verschiedenen Standorten des Konzerns, Praktikantenbetreuung und gemeinsame Forschungsprojekte zu aktuellen und grundlegenden technisch-wissenschaftlichen Fragestellungen.

Weitere Informationen

Prof. Dr.-Ing. Michael Pohl, Institut für Werkstoffe der RUB, Werkstoffprüfung, Tel. 0234/32-25905, E-Mail: pohl@wp.ruhr-uni-bochum.de

Dr.-Ing. Sebastian Kühn, Werkstoffprüfung, Tel. 0234/32-25921, E-Mail: kuehn@wp.rub.de