Entwicklung einer Testmethodik zur Bestimmung der Wasserstoffeinlagerung im Ermüdungsriss bei CTOD-Proben aus höherfesten legierten Baustählen

Metallische Werkstoffe wie Stähle, die in der Energie- und Fahrzeugtechnik häufig zur Anwendung kommen, können durch Wasserstoff geschädigt werden. Wasserstoff kann Bauteile verspröden und auch die Festigkeit des Stahls verringern. In dieser Arbeit wird untersucht, wie sich die kathodische Wasserstoffbeladung auf die Bruchzähigkeit höherfester legierter Baustähle auswirkt. Durch normgerechte CTOD-Versuche (Crack Tip Opening Displacement – Rissspitzenverschiebung) kann die Rissbeständigkeit direkt in Abhängigkeit von der angelegten Spannung bei elektrochemischer Wasserstoffbeladung bestimmt werden. Dazu wurde ein spezieller Aufbau entwickelt, der aus einer elektrochemischen Zelle besteht, die unter der Dauerschwing-Prüfmaschine eingebaut wird. Dieser Aufbau ermöglicht eine dynamisch-mechanische Belastung unter Wasserstoffbeladung. Um die optimale Beladungsdauer der CTOD-Proben beim Schwings- bzw. Ermüdungsversuch zu ermitteln, ist die Kenntnis der Permeationsrate und Diffusionsgeschwindigkeit von Wasserstoff erforderlich. Die Untersuchungsergebnisse zeigen, dass der Widerstand eines Materials gegen instabilen Rissfortschritt eine starke Abhängigkeit von der Wasserstoffkonzentration aufweist. Die Ergebnisse werden mit der Anwesenheit und Mitwirkung von Stufenversetzungen interpretiert, die sich als Lücke für den diffundierenden Wasserstoff erweisen und so den Transport von Wasserstoff im Metallgitter stark beeinflussen. Nicht mit Wasserstoff beladene Proben zeigten nahezu keine Erniedrigung der Duktilität. Dies liegt daran, dass die Rissspitzen nicht beaufschlagt wurden. Es ist festzustellen, dass sich bei der elektrochemischen Beladung mit Wasserstoff mit steigender Beladungsstromdichte die Anzahl von aufgenommenen Wasserstoffatomen erhöht. Durch Bruchflächenuntersuchung im REM wurde beobachtet, dass die Wasserstoffversprödung in X70-Stahl mit zunehmender Schwingspielzahl und -zeit zunimmt. Es wurde festgestellt, dass bei einer Stromdichte von 10 mA/cm2 die Zähigkeitsparameter del, dpl, KIc und δ verringert werden. Die maximale Eindringtiefe wurde nach einer Beladung von fünf Stunden mit 20 mA/cm² bei einer mechanischen Belastung durch ca. 2,5 . 106 Lastwechsel erreicht. Eine temperaturinduzierte Versprödung kann bei niedrigen Temperaturen auftreten, aber ihre Wirkung beträgt hier nur 5 % bei -20 °C. Die hier entwickelte Testmethode verbessert den Elektrodiffusionsprozess, was dazu führt, dass atomarer Wasserstoff systematisch in Topologien mit erhöhter thermodynamischer Energie und hoher Mobilität von Versetzungsnetzwerken akkumuliert und eingefangen wird. Diese Prüfmethodik ermöglicht die Erarbeitung eines Kriteriums für die Werkstoffauswahl, das sowohl die Theorien der Bruchmechanik als auch eine Wasserstoffschädigung in der Integritätsanalyse verschiedener metallischer Werkstoffe berücksichtigt.