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AK Wasserstoffversprödung:
Korrosionsbedingtes Wasserstoffgefährdungspotenzial
Zentrum für KonstruktionswerkstoffeMPA/IfW TU DarmstadtProf. Dr.-Ing. Matthias Oechsner
29.11.2012 | Zentrum für Konstruktionswerkstoffe | Christian Krauß M.Sc. | AK Wasserstoffversprödung | Folie Nr.: 1
Prof. Dr.-Ing. Matthias Oechsner
Kompetenzbereich OberflächentechnikDipl.-Ing. Georg Andersohn
Christian Krauß M.Sc.
Technologische Herausforderungen Industrielle Anforderungen
Effizienter Einsatz von Rohstoffen/ Ressourcen bei stetig steigenden Sicherheitsanforderungen
Konsequenz: Leichtbau, höhere mechanische Ausnutzung, höherfeste Werkstoffe
Werkstoffe im Wandel Anforderungen vs. Herausforderungen
Eignung hochfester Stähle unter korrosiven Einsatzbedingungen bewerten
Prüfung: Bewertung des korrosionsbedingten Wasserstoffgefährdungspotenzials
Gefahr: Wasserstoffinduzierte Rissbildung
?29.11.2012 | Zentrum für Konstruktionswerkstoffe | Christian Krauß M.Sc. | AK Wasserstoffversprödung | Folie Nr.: 2
Wasserstoffinduzierte RissbildungKomplexbeanspruchung
Werkstoff
•Hohe Festigkeit•Anfälliges Werkstoffgefüge•Unreines Werkstoffgefüge
H-Quelle Mech. Belastung
• Zugbeanspruchung• Zugeigenspannung
• Fertigungsbedingt• Betriebsbedingt
Wasserstoffinduzierte
Rissbildung
[Quelle: Bildarchiv-Hamburg.de]
[Quelle: http://www.wotec-online.com]
29.11.2012 | Zentrum für Konstruktionswerkstoffe | Christian Krauß M.Sc. | AK Wasserstoffversprödung | Folie Nr.: 3
Wasserstoffinduzierte RissbildungWasserstoffeintrag
� Hoher Wasserstoffeintrag in kurzem Zeitintervall [Minuten]
� Auswirkungen nach Belastung
� Geringer Wasserstoffeintrag in unbekanntem Zeitintervall [Jahrzehnte]
� Auswirkungen nach Belastung in
Fertigungsbedingt Betriebsbedingt
innerhalb kurzer Zeit sichtbar [Stunden, Tage]
� Wahrnehmung des Gefährdungspotenzials hoch und messbar
Abhängigkeit des Wasserstoffeintrags sichtbar [Jahrzehnte]
� Wahrnehmung des Gefährdungspotenzials gering bis gar nicht und kaum messbar
Differenzierte Betrachtung nötig
29.11.2012 | Zentrum für Konstruktionswerkstoffe | Christian Krauß M.Sc. | AK Wasserstoffversprödung | Folie Nr.: 4
Projekt AiF 16196 N/1
Entwicklung einer Methode zur Untersuchung des korrosionsbedingten Wasserstoffgefährdungspotenzials von modernen Korrosionsschutzsystemen auf Zinkbasis bei hochfesten Bauteilen aus Stahl
BewertenZiele, Chancen
„neues“ Werkzeug
Umweltsimulationen
Ziele, Chancen:
� Einsatzmöglichkeiten hochfester Bauteile besser beurteilen können
� Überzugssysteme vertieft bewerten und entwickeln können
� Produktsicherheit erhöhen
„neu
29.11.2012 | Zentrum für Konstruktionswerkstoffe | Christian Krauß M.Sc. | AK Wasserstoffversprödung | Folie Nr.: 5
BewertenAufbau „Werkzeug“
Charakterisierung der Systemkomponenten
Einfluss des Überzuges auf
� Wasserstoffangebot
� Wasserstoffdurchtrittsverhalten
Wechselwirkungen der Systemkomponenten analysierenWechselwirkungen der Systemkomponenten analysieren
� Festigkeitseigenschaften bei betriebsbedingtem Wasserstoffangebot
Geeignete Umweltsimulation ableiten
� Vereinfachte Qualifizierungsmethode zur Bewertung des
Gefährdungspotenzials infolge Korrosion
29.11.2012 | Zentrum für Konstruktionswerkstoffe | Christian Krauß M.Sc. | AK Wasserstoffversprödung | Folie Nr.: 6
Charakterisierung der SystemkomponentenVersuchsmaterial
Werkstoff: 32CrB4 (Martensitisches Gefüge)
Rm: 1340 MPa
RmK: 1836 MPa
Form: Eingerollte Kerbe (mehrachsiger (mehrachsiger Spannungszustand)
Beschichtungssysteme:
1) thermisch Zink [thermZn]
2) Zinklamelle [ZnL]
3) galvanisch Zink (alk.) [gZn]
4) galvanisch Zink-Nickel [gZnNi]
eingerollte Kerbe
29.11.2012 | Zentrum für Konstruktionswerkstoffe | Christian Krauß M.Sc. | AK Wasserstoffversprödung | Folie Nr.: 7
Charakterisierung der SystemkomponentenBetrachtung der „Wasserstoffquelle“
Schicht-system
Schichtdicke (Schaftbereich)
[µm]
Ladungs-menge
[C/cm²]
Ladungsmengebezogen auf Schichtdicke
thermZn 35 90 2,6
gZnNi 5 9 1,8
gZn 6 10 1,7
ZnL 6 3 0,5
29.11.2012 | Zentrum für Konstruktionswerkstoffe | Christian Krauß M.Sc. | AK Wasserstoffversprödung | Folie Nr.: 8
Charakterisierung der SystemkomponentenBetrachtung des Durchtrittverhaltens
Vorgehen: Wasserstoffpermeationsmessungen
Schichtsystem Wasserstoff-durchtritt möglich?
Diffusions-koeffizient
[cm²/s]
RandbedingungGrundwerkstoff (GW): Ck 67 (Diffusionskoeffizient: 1,3*10-6 cm²/s)Palladiumüberzug: beidseitigBeladung: Galvanostatisch (10 mA/cm²)
gZn Nein - (n.b.)
gZnNi Ja 6,4*10-7
Zinklamelle Ja 1,6*10-6
29.11.2012 | Zentrum für Konstruktionswerkstoffe | Christian Krauß M.Sc. | AK Wasserstoffversprödung | Folie Nr.: 9
st [%]
Wechselwirkungen der Systemkomponenten analysieren
Fragestellung: Einfluss des korrosionsbedingten Wasserstoffangebots auf die resultierenden Festigkeiten
Verfahren: Gestufter Korrosionszeitstandversuch
(Step-Load-Test)
rel. ertragbare Last [%
68Merkmale:
� Stufenweiser Anstieg bis zum Bruch (kritische Last)
� Laststufen richten sich nach Festigkeit des Probenmaterials
� Effektive Ermittlung einer Schwellbelastung durch Anpassung
der Laststufen
29.11.2012 | Zentrum für Konstruktionswerkstoffe | Christian Krauß M.Sc. | AK Wasserstoffversprödung | Folie Nr.: 10
st [%]
100
Wechselwirkungen der Systemkomponenten analysieren
Zugversuch an Luft
gestufter Korrosionszeitstandversuch(Step-Load-Test, SLT)?
st [% Rmk]
80
100
120
Schichtsystem: gZn; Medium: 5% NaCl (pH = 3)
rel. ertragbare Last [%
Versuchsdauer
68?
5 10 15 20 [h] 300
60
40
20
rel. ertragbare Last [%
29.11.2012 | Zentrum für Konstruktionswerkstoffe | Christian Krauß M.Sc. | AK Wasserstoffversprödung | Folie Nr.: 11
Ergebnis: Step-Load-Test an Luft
Wechselwirkungen der Systemkomponenten analysieren
100
90
80
% Rmk]
-
Material: 32CrB4Rm: 1340 MPaRmk: 1836 Mpa (Kt=3,4)
Umgebungsmedium: Luft
gZnNi ZnL gZn thermZn schwarz
70
60
50
40
30
20
10
0
rel. ertragbare Last [% R
29.11.2012 | Zentrum für Konstruktionswerkstoffe | Christian Krauß M.Sc. | AK Wasserstoffversprödung | Folie Nr.: 12
Ergebnis: Step-Load-Test in 5 % NaCl (pH= 3, angesäuert mit H2SO4) im Vergleich zu den an Luft ermittelten Werten
Wechselwirkungen der Systemkomponenten analysieren
100
90
80
% Rmk]
-
Material: 32CrB4Rm: 1340 MPaRmk: 1836 MPa (Kt=3,4)Umgebungsmedium: 5 % NaCl pH=3
gZnNi ZnL gZn thermZn schwarz
70
60
50
40
30
20
10
0
rel. ertragbare Last [% R
29.11.2012 | Zentrum für Konstruktionswerkstoffe | Christian Krauß M.Sc. | AK Wasserstoffversprödung | Folie Nr.: 13
⇒ Differenzierbares Gefährdungspotenzial der
unterschiedlichen Überzugsysteme unter korrosiven
Umgebungsbedingungen
⇒ für Testlösung 5 % NaCl, pH = 3:
thermZn, gZn > gZnNi, ZnL
Wechselwirkungen der Systemkomponenten analysieren
thermZn, gZn > gZnNi, ZnL
gZn gZn
29.11.2012 | Zentrum für Konstruktionswerkstoffe | Christian Krauß M.Sc. | AK Wasserstoffversprödung | Folie Nr.: 14
Geeignete Umweltsimulation ableitenZiele/ Vorgehensweise
Ziele
� Vereinfachte Qualifizierungsmethode zur Bewertung des korrosionsinduzierten Wasserstoffgefährdungspotenzials
Randbedingungen
� Nutzung vorhandener Testeinrichtungen� Nutzung vorhandener Testeinrichtungen
� Differenzierbarkeit
� Beaufschlagung: Wechsel zwischen Feuchtphase und Trockenphase (Effusionsmöglichkeit) realisieren
� Konditionierung: Stufenweiser Anstieg der korrosiven Belastung (Wasserstoffangebot)
� Unterstützung der Medienauswahl durch Wasserstoffaktivitätsbestimmungen
29.11.2012 | Zentrum für Konstruktionswerkstoffe | Christian Krauß M.Sc. | AK Wasserstoffversprödung | Folie Nr.: 15
Geeignete Umweltsimulation ableitenUmgebungsmedien charakterisieren
kti
vit
ät
aH
Sauerstoffgehalt sowie pH-Wert beeinflussen die Wasserstoffaktivität stark
Korrosionsbedingte Beladung
ladung
pH=4
Wa
sse
rsto
ffa
kti
vit
Umgebungsmedium
pH=4
Material: C86
Tauch-versuch
Sprüh-kammer
Galvanostatische Beladun
29.11.2012 | Zentrum für Konstruktionswerkstoffe | Christian Krauß M.Sc. | AK Wasserstoffversprödung | Folie Nr.: 16
Geeignete Umweltsimulation ableitenUmgebungsmedien charakterisieren
kti
vit
ät
aH
Wasserstoffpromotor führt zu einem signifikanten Anstieg der Wasserstoffaktivität
1% H2SO4+ 0,1g/l Na2S
1% H2SO4+ 1g/l Na2S
Wa
sse
rsto
ffa
kti
vit
Umgebungsmedium Material: C86
1% H2SO4
29.11.2012 | Zentrum für Konstruktionswerkstoffe | Christian Krauß M.Sc. | AK Wasserstoffversprödung | Folie Nr.: 17
Durch veränderte Hardware können jetzt auch Permeationsströme resultierend aus der freien Korrosion unter weniger stark korrosiven Medien aufgezeichnet und bewertet werden (Anwendungsbezug).
Wasserstoffaktivität ist abhängig vom:
Umgebungsmedium (pH-Wert, Promotorkonzentration)
WasserstoffaktivitätsmessungenZusammenfassung
Umgebungsmedium (pH-Wert, Promotorkonzentration)
Applikationsart (Immersion, Nebelbeaufschlagung)
Wichtige Erkenntnisse:� Wasserstoffaktivität ist abhängig von vielen Faktoren.
� Die Wahrscheinlichkeit für einen korrosionsinduzierten Wasserstoffeintrag ist unter freier Korrosion um Zehnerpotenzen geringer als bei einer kath. H.-beladung.
29.11.2012 | Zentrum für Konstruktionswerkstoffe | Christian Krauß M.Sc. | AK Wasserstoffversprödung | Folie Nr.: 18
Geeignete Umweltsimulation ableitenAktueller Stand
Step-Load-Test: Kritische LastniveausPermeation: Bewertung der Testlösung
29.11.2012 | Zentrum für Konstruktionswerkstoffe | Christian Krauß M.Sc. | AK Wasserstoffversprödung | Folie Nr.: 19
Zusammenfassung/ Ausblick
Vor dem Hintergrund eines vermehrt wachsenden Einsatzes von hoch-und höchstfesten Stählen nimmt zwangsläufig das Gefährdungspotenzial einer betriebsbedingten wasserstoffunterstützten Rissbildung zu.
Es konnte nachgewiesen werden, dass die unterschiedlichen Es konnte nachgewiesen werden, dass die unterschiedlichen Überzugssysteme einen verschiedenartigen Einfluss auf das Wasserstoffgefährdungspotenzial ausüben.
Aktuell wird an der Umsetzung in eine vereinfachte Qualifizierungsmethode auf Basis der kombinierten Nutzung weit verbreiteter Testeinrichtungen gearbeitet.
Zukünftig soll eine Bewertungsgrundlage für verschiedenartige Umgebungsbedingungen erarbeitet werden.
29.11.2012 | Zentrum für Konstruktionswerkstoffe | Christian Krauß M.Sc. | AK Wasserstoffversprödung | Folie Nr.: 20
Danksagung
Das IGF-Vorhaben (16196 N / 1) der Forschungsvereinigung Forschungsgesellschaft Stahlverformung e. V. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
Wir danken der FSV sowie dem Deutschen Schraubenverband (DSV) für die Realisierung und die finanzielle Unterstützung. Das Projekt wurde durch einen, aus Mitgliedsfirmen des DSV bestehenden, projektbegleitenden Ausschuss unter der Leitung von Dr.-Ing. Stefan Beyer begleitet.
29.11.2012 | Zentrum für Konstruktionswerkstoffe | Christian Krauß M.Sc. | AK Wasserstoffversprödung | Folie Nr.: 21