Den Wasserstofftransport in Metallen verstehen
Bei Raumtemperatur können Wasserstoffatome von einem Metallgitter absorbiert werden und über dessen Körner diffundieren. Der Wasserstoff sammelt sich entweder in Form von Atomen oder Molekülen an. Unabhängig von der Form vereinen sich Atome und Moleküle, um kleine Blasen an den Grenzen zwischen Metallkörnern zu bilden. Diese Blasen bauen in einer Höhe Druck auf, bei dem Metalle ihre Duktilität verlieren und sich winzige Risse bilden. Die Anfälligkeit von Materialien für eine Wasserstoffversprödung hängt von den Eigenschaften deren Mikrostruktur und dem Vorhandensein von Fehlern ab. Wissenschaftler initiierten das EU-finanzierte Projekt MULTIHY (Multiscale modelling of hydrogen embrittlement), um Instrumente zu entwickeln, mit denen der Wasserstofftransport in hochfesten Legierungen mit einer komplexen Mikrostruktur evaluiert werden kann und um ein besseres Verständnis der Wasserstoffversprödung zu erreichen. Die Projektwissenschaftler brachten die Wirkung struktureller Merkmale im mikroskaligen und sogar nanoskaligen Bereich mit messbaren makroskopischen Faktoren für eine Wasserstoffversprödungsanfälligkeit in Verbindung. Analytische Verfahren, physikalische Tests und Betriebsdaten wurden zur Entwicklung eines multiskaligen Modellierungsrahmens zum Wasserstofftransport von der atomistischen bis zur Komponentenebene entwickelt. Das MULTIHY-Team wählte drei industrielle Fallstudien aus, die die Verbrennungskammern eines Satellitenträgers, eine Automobilrohkarosserie und Offshore-Windturbinenlager beinhalten. Die Mikrostruktur fortschrittlicher Materialien wurde bei allen Fallstudien analysiert und Wasserstoffdiffundierungs- und -bindungsparameter wurden anhand von Experimenten und atomistischer Modelle evaluiert. Um eine Genauigkeit ohne unpassende Rechenlast sicherzustellen, mussten die Wissenschaftler die räumlichen und zeitlichen Unterschiede zwischen atomistischen und Finit-Element (FE)-Modellen integrieren. Es wurde auf Monte-Carlo-Simulationen zurückgegriffen, um die Verwendung der Ergebnisse aus atomistischen Berechnungen als Eingabeparameter für FE-basierte Modelle zu vereinfachen. Der multiskalige Modellierungsrahmen von MULTIHY wird in verschiedenen Industriebereichen dabei helfen, fundierte Entscheidungen bezüglich der Wahl von Materialien und Bearbeitungsmethodologien für die jeweiligen Endprodukte zu treffen. Schritte, die unternommen werden können, um die Wasserstoffversprödung zu verringern, beinhalten unter anderem eine verringerte Exposition gegenüber Wasserstoff und eine Wärmebehandlung (Ofen) bei geringen Temperaturen.
Schlüsselbegriffe
Wasserstoff, Legierungen, Duktilität, strukturelle Integrität, Wasserstoffversprödung
