- Welche Möglichkeit des Eintrags von Wasserstoff in Werkstoffen insbesondere Metallen/Polymeren gibt es?
Metalle
1. Bildung von atomarem Wasserstoff z.B. durch Dissoziieren von molekularem Wasserstoff
2. Adsorption als atomarer Wasserstoff und Bildung von gelöstem Wasserstoff
3. Diffusion im Werkstoff von atomarem Wasserstoff
4. Gegebenenfalls Desorption an der Oberfläche nach Rekombination zu molekularem Wasserstoff
Polymere
1. Adsorption von molekularem Wasserstoff
2. Diffusion molekularem Wasserstoff durch das Polymere in Abhängigkeit des vorliegenden
Partialdruckes
3. Gegebenenfalls Desorption von molekularem Wasserstoff
- Welche Aufnahmemechanismen gibt es für Wasserstoff bei Metallen.
Bei der Herstellung des Bauteils:
• Metallurgie, Gießen, z.B. Stahlherstellung
• Schweißen
• Schutzgasglühen unter Wasserstoff
• Beizen
• Elektrochemischer Wasserstoff (kathodisch) durch galvanische
Prozesse
Am fertigen Bauteil zusätzlicher Wasserstoff durch Betrieb
• Korrosionswasserstoff (elektrochemisch durch kathodische Prozesse
oder durch Schikorr)
• Druckwasserstoff (Druckspeicher / Transport)
- Welche Einbauorte für Wasserstoff gibt es bei Metallen? interstitiell
Leerstellen, Versetzungen, Fremdatome, Korngrenzen, Fremdphasen, reversibel & irreversibel
- Welchen grundsätzlichen Einfluss hat bei Metallen die Gitterstruktur auf die Löslichkeit sowie Diffusionsgeschwindigkeit von Wasserstoff und wo liegt das höhere Schadensrisiko vor?
Krz: kleine Tetraederlücken und noch kleinere Oktaederlücken, schlechte H-Löslichkeit, schnelle Diffusion, da geringe Packungsdichte Hohes Schadensrisiko
Kfz: große Oktaederlücken à gute Löslichkeit, langsame Diffusion, da kfz dichtest gepackt
Geringes Schadenspotential
- Vorgehen bei der Berechnung der Permeation, Löslichkeit und des Diffusionskoeffizienten sowie des Wasserstoffmassenstroms durch Metalle und Polymeren (siehe dazu auch Übungsrechnungen aus der Vorlesung inkl. Lösungen im Moodle)
- Sie können aus Permeationsdiagrammen die Werte für Werkstoffe (Metalle und Polymeren) ablesen und vergleichend (Metall vs. Metall; Polymer vs. Polymer) diskutieren. Grundsätzliche Einordnung der Permeation Polymere im Vergleich zu Metallen.
- Welche Schädigungsmechanismen in Zusammenhang mit Wasserstoff gibt es bei Metallen und worauf beruhen diese?
Drucktheorie
Dekohäsionstheorie (HEDE) Hydrogen Enhanced Decohesion
Adsoprptionstheorie
Versetzungstheorie
Wasserstoff rekombiniert an inneren Oberflächen (Poren, Mikrorisse, Korngrenzen, Phasengrenzen, nichtmetallische Einschlüsse z.B. MnS zu molekularem Wasserstoff à unlöslich im Gitter àDruckaufbau à Blasenbildung
• Blasenbildung / Rissbildung oft ausgehend von Korngrenzen
• Wichtiger Mechanismus bei weichen Stählen
• Folgende Schäden werden durch diesen Mechanismus erklärt
o Hydrogen induced Cracking (HIC)
o Beizblasen / Blistering
o Flocken, Fischaugen
o Kaltrisse an Schweißnähten
eingelagerter Wasserstoff setzt die Bindungsstärke zwischen den Metallatomen herab
à dies führt in Kombination mit zu hohen Spannungen zu einer rein elastischen Materialtrennung (interkristalline Brüche oder Spaltbrüche) = Initiierung von Wasserstoffsprödbrüchen
• Der im Werkstoff gelöste Wasserstoff diffundiert bevorzugt in Bereich mit
erhöhter Spannung (Rissspitzen, Korngrenzen) und schwächt diese dadurch
• Wichtiger Mechanismus bei hochfesten Stählen, da hier hohe Spannungen
an Rissspitzen vorliegen
• Mit diesem Modell lassen sich jedoch nicht die plastischen Anteile auf einer
Wasserstoffsprödbruchoberfläche erklären
Adsorptionstheorie
• Adsorption an den Rissspitzen via Diffusion oder PIW (Dissoziation) ;
• Herabsetzung der Oberflächenenergie Erleichterung des Rissfortschrittes
• Nach bisherigem Kenntnisstand ist diese Theorie nur bedingt haltbar, da
Gase wie Stickstoff oder Sauerstoff mit höheren Adsorptionsenergien keine
versprödenden Effekte zeigen bei Stahl
AIDE - Adsorption Induced Dislocation Emission
Der Mechanismus beruht auf Wasserstoff an der Oberfläche (z.B.
Rissspitze) ähnlich vorausgehende Folie
• Ausgehend von Rissspitzen / Oberflächen werden durch adsorbierten
Wasserstoff, der die Bindungen zwischen Metallatomen schwächt, neue
Versetzungen gebildet
• Bildung von Mikroporen, die sich vereinigen Bildung von duktilen
Scherbrüchen mit Bruchwaben
HELP - Hydrogen Enhanced Localized Plasticity
• Wasserstoff sammelt sich um die Spannungsfelder von Versetzungen à
dadurch werden die Wechselwirkungsspannungen zwischen
Versetzungen herabgesetzt à Erleichterte Versetzungsbewegung bei
reduzierter Dehngrenze
• Wasserstoff diffundiert an die Rissspitzen
• Bildung von Mikroporen à Bildung von duktilen Scherbrüchen mit
Bruchwaben (feine plastische Anteile „Krähenfüße“)
• Die HELP Theorie steht jedoch im Widerspruch zum Modell der
Cotrellwolken (=Ansammlung von Wasserstoffatomen) um die
Versetzungskerne mit erschwerter Beweglichkeit à verminderte
Duktilität à erleichterte Rissbildung
- Welche Erscheinungsformen für Wasserstoffschäden gibt es, was sind deren Besonderheiten?
HIB
HIC
SWC
SOHIC
HISCC
SSC
Druckwasserstoffbruch bei RT (PIW)
Beschleunigte Ermüdungsbrüche bei zyklischer Druckbeaufschlagung
Bekannt bei Gasflaschen und Druckbehältern für Wasserstoff
Lokale Kerben führen bei jedem Belastungszyklus zu lokaler plastischer Verformung
Plastisch verformte Bereiche sind hochaktiv und ermöglichen Wasserstoff-Dissoziation
und Wasserstoffaufnahme (PIW)
Die durch den Wasserstoff bedingte lokal verschlechterte Duktilität fördert das
Risswachstum
Kerbwirkung wird verstärkt durch insgesamt beschleunigte Rissausbreitung
Der Effekt beschränkt sich primär auf den zeitfesten Bereich einer Wöhlerkurve
Im Bereich der Dauerfestigkeit tritt er nicht auf
HTHA (High Temperatur Hydrogen Attack)
z.B. bei Druckwasserstoff (Ammoniaksynthese) aber auch in
Verdampferrohren durch die Schikorr-Reaktion
(3 Fe + 4H2O à Fe 3O4 +4 H2 )
Eindiffusion des atomaren Wasserstoffes
Als Folge Entkohlung Zementit und interkristallines Versagen:
Fe 3C + 4 H à 3 Fe + CH4
Geringeres Risiko bei Cr, Mo legierte Güten; besonders
empfindlich C-Stahl
Für Auslegung / Bewertung immer aktuelles Nelson Diagramm aus API 941 heranziehen.
Typische Laborprüfungen für Wasserstoffschäden
Beladung mit Wasserstoff – verschiedene Wege
Druckwasserstoff(> 100 bar)
Elektrochemischer Wasserstoff
− Korrosion /Beizen
− Kathodische Beladung
− Nasses H2S (Sauergas)
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