Principles for the design of components exposed to pressurized hydrogen taking into account material-related damage mechanisms

• Applicants: Professor Dr.-Ing. Tobias Melz; Professor Dr.-Ing. Matthias Oechsner
• Subject Area: Mechanical Properties of Metallic Materials and their Microstructural Origins ; Coating and Surface Technology
• Term: from 2015 to 2020
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 271741688

• Final Report Year: 2021

Final Report Abstract

Mittels Schwingfestigkeitsuntersuchungen in einer Druckwasserstoffatmosphäre können für den Werkstoff 1.4521 und 1.4301 im Zeitfestigkeitsbereich reduzierte Lebensdauern und flachere Wöhlerlinien im Vergleich zu den Schwingfestigkeitsuntersuchungen an Luft dokumentiert werden. Mit zunehmendem Kerbfaktor und daraus resultierender höheren lokalen Beanspruchung, ist der Effekt unter Druckwasserstoff stärker ausgeprägt. Die Reduzierung der Lebensdauer wird mit zunehmender Schwingspielzahl geringer. Durch die in einer Druckwasserstoffatmosphäre aufgezeichneten dehnungsgeregelten Wechselverformungskurven mit unterschiedlichen Dehnungsamplituden konnte für den Werkstoff 1.4521 eine leichte zyklische Verfestigung bereits bei Versuchen an Luft beobachtet werden. Bei Versuchen in einer Druckwasserstoffatmosphäre ist diese zyklische Verfestigung in vergleichbarer Größenordnung. Bei einer erhöhten plastischen Dehnungsamplitude wurde ein spontanes frühzeitiges Versagen der druckwasserstoffexponierten Proben festgestellt. Für den austenitischen Werkstoff 1.4301 wurde bei Wechselverformungsversuchen mit hohen Dehnungsamplituden eine Neigung zur Bildung von Umformmartensit beobachtet, was in einer hohen zyklischen Verfestigung und einem früheren Versagen in einer Druckwasserstoffatmosphäre resultiert. Anhand der der Schwingfestigkeitsuntersuchungen an Proben mit unterschiedlichen Kerbfaktoren sind Übertragbarkeitsdiagramme auf Basis des HBV-Konzeptes zur Abschätzung der Beanspruchbarkeit im Langzeitfestigkeitsbereich abgeleitet worden. Eine der elektrochemischen Wasserstoffpermeationsmessung simultan überlagerte zyklische Belastung führte für den Werkstoff 1.4521 bei Spannungsamplituden nahe der Streckgrenze zu einer zeitverzögerten Permeation von Wasserstoff. Bei geringeren Lasthorizonten wurde kein Einfluss auf die Permeation festgestellt. Es wurde postuliert, dass erhöhte Spannungsamplituden eine erhöhte Anzahl sehr lokaler plastischer Verformungen initiieren, welche die Wasserstofffallendichte erhöhen. Diese spontan entstehenden Fallen verlangsamen die Permeation von Wasserstoff, was vermutlich auf eine erhöhte Bindung des Wasserstoffs zurückzuführen ist. Dieser Effekt trägt somit zum früheren Versagen der druckwasserstoffexponierten Proben bei. Eine Wasserstoffgehaltsmessung mittels TDA deutet auf eine solche erhöhte Wasserstofffallendichte hin.

Publications

• Grundlagen für die Bemessung druckwasserstoffexponierter Komponenten unter Berücksichtigung werkstoffspezifischer Eigenschaften und Schädigungsmechanismen, Tagung Werkstoffprüfung 2018, Bad Neuenahr
  Schmiedl, T.; Schönborn, S.; Melz, T.
  
• Einfluss von Druckwasserstoff auf das Schwingfestigkeitsverhalten eines ferritischen und austenitischen Edelstahls im LCF-Bereich, Tagung Werkstoffprüfung 2019, Neu-Ulm
  Schmiedl, T.; Schönborn, S.; Melz, T.
  
• Einfluss des Spannungsgradienten auf das Schwingfestigkeitsverhalten eines ferritischen Edelstahls unter Druckwasserstoff, Tagung Werkstoffprüfung 2020, Berlin
  Schmiedl, T.; Schönborn, S.; Melz, T.