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Auslegungsansatz für Stahlbauteile bei Ermüdungsbeanspruchung in Druckwasserstoffatmosphäre
(Stuttgart : Materialprüfungsanstalt (MPA), Universität Stuttgart, 2018) Schauer, Georg; Weihe, Stefan (Prof. Dr.-Ing.)
Bei Brennstoffzellenfahrzeugen stellt die Verwendung des brennbaren und explosionsfähigen Wasserstoffgases hohe Anforderungen an die Sicherheit und Zuverlässigkeit der Komponenten im Druckwasserstoffpfad. Hierbei ist beim Einsatz metallischer Werkstoffe in gasförmigem Wasserstoff die Wasserstoffversprödung zu berücksichtigen, bei der in den Werkstoff eingedrungener Wasserstoff zur Degradation mechanischer Eigenschaften führen kann. Um den sicheren, robusten und zuverlässigen Einsatz der Brennstoffzellen-Anodenpfad-Komponenten sicherzustellen, wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Auslegungskonzept zur Berechnung der Ermüdungslebensdauer respektive Schwingfestigkeit für Stahlbauteile entwickelt, deren Einsatzgebiet im druckwasserstoffbeaufschlagten Anodenpfad liegt. Versuchstechnisch qualifiziert wurden acht nichtrostende Edelstähle, darunter ferritische, weichmartensitische, martensitische und austenitische Stähle. Dabei degradiert das monotone Verformungsvermögen im Zugversuch unter Wasserstoffeinfluss bei ferritischen Stählen moderat bis stark, bei einem weichmartensitischen Stahl moderat, bei harten Martensiten sehr stark und austenitischen Stählen unerheblich bis moderat. Unter Ermüdungsbeanspruchung zeigt sich die wasserstoffinduzierte Schädigung im Wesentlichen durch eine werkstoffabhängige Degradation der Lebensdauer im Zeitfestigkeitsbereich. Der Tendenz nach folgt diese Degradation der Wasserstoffversprödungswirkung bei monotoner Verformung. Grundsätzlich nimmt der schädigende Wasserstoffeinfluss mit kleiner werdender Amplitudenbelastungen ab. Mit Hilfe eines werkstoffklassenabhängigen Vorkonditionierungsansatzes wurde der langjährige Betriebsfall unter Druckwasserstoff im Labor nachgebildet. Dabei fällt die Langzeitfestigkeit der duktilen, niedrig- bis mittelfesten Edelstähle (Ferrite, Weichmartensite und Austenite) bei der Schwingprüfung in Wasserstoffatmosphäre nicht ab, wohingegen die Schwingfestigkeit der defektbehafteten, harten Edelstähle (Martensite) bei der Referenzzyklenzahl von 10 Millionen um bis zu 9 % degradiert. Ausführliche fraktographische Analysen belegen zudem, dass das Schädigungsverhalten vor allem in Form des zyklischen Rissfortschritts unter Wasserstoffeinfluss verändert wird. Auf Basis der Ergebnisse wurde ein anwendungsorientiertes Auslegungskonzept abgeleitet. Es unterteilt in duktile, niedrig- bis mittelfeste Edelstähle, bei denen der Ermüdungsriss von der Bauteiloberfläche ausgeht, und harte, defektbehaftete Edelstähle, deren zyklischer Versagensnukleus nichtmetallische Einschlüsse darstellen. Der erarbeitete Auslegungsansatz bewertet den Wasserstoffeinfluss durch materialphysikalisch motivierte Modifikationen in der Anwendungspraxis etablierter Ermüdungs-Materialmodelle. Dabei erfolgt die Lebensdauerbewertung duktiler, niedrig- bis mittelfester Edelstähle unter Wasserstoffumgebung auf Basis des örtlichen Dehnungskonzeptes. Hierbei wird die Modellannahme zugrunde gelegt, dass die ertragbare plastische Dehnungsamplitude bis zu einem Schwingspielzahlbereich von etwa 1 Millionen Zyklen durch Wasserstoff herabgesetzt wird. Bei Bauteilen aus harten, defektbehafteten Edelstählen wird die Schwingfestigkeit wasserstoffbeaufschlagter Bauteile in der Auslegung bewertet. Da nichtmetallische Einschlüsse den zyklischen Versagensnukleus darstellen, wird deren Auftretenswahrscheinlichkeit in der Schwingsfestigkeitsprognose mit einem erweiterten probabilistischen Defektmodell von Melander berücksichtigt. Hierbei bildet eine Modifikation des bruchmechanischen √𝑎𝑟𝑒𝑎-Materialmodells von Murakami die wasserstoffinduzierte Degradation des zyklischen Rissinitiierungsschwellwertes in Folge der Wasserstoffbelastung ab. Eine abschließende Validierung beider artverschiedener Auslegungsansätze an einer bauteilähnlichen Ersatzprobe weist die Tauglichkeit unter praxisähnlichen Bedingungen nach. Der erarbeitete Auslegungsansatz ermöglicht fortan die konservative Ermüdungslebensdauer- bzw. Schwingfestigkeitsprognose und ebnet somit die Grundlage zur anwendungsorientierten, betriebsfesten Bauteilauslegung nichtrostender Stähle im druckwasserstoffbeaufschlagten Brennstoffzellen-Anodenpfad.
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Entwicklung einer Gefügekarte für Laserschweißnähte aus Aluminiumlegierungen
(Stuttgart : Materialprüfungsanstalt (MPA), Universität Stuttgart, 2022) Böhm, Constantin; Weihe, Stefan (Prof. Dr.-Ing.)
Die Gefügestruktur spielt für die Werkstoffeigenschaften eines Bauteils eine entscheidende Rolle; gleiches gilt für die Gefügestruktur einer Schweißnaht. Im Rahmen dieser Dissertation wurde der Einfluss von Prozess- und Legierungsgrößen auf die entstehende Gefügestruktur beim Laserstrahlschweißen von Aluminiumlegierungen durch analytische Gleichungen beschrieben und experimentell validiert. Dafür wurde ein großes Prozessparameterfenster (Schweißgeschwindigkeiten von 0,5 m/min bis zu 30 m/min) sowie unterschiedlicher Legierungssysteme (Al-Cu, Al-Cu-Mg, Al-Mg-Mn, Al-Mg-Si, Al-Zn-Mg-Cu) untersucht. Der Fokus der Arbeit lag auf der Beschreibung des Übergangs von einer gerichteten zu einer äquiaxialen Erstarrung während des Schweißprozesses, die zu einer Verfeinerung der Kornstruktur führt. Die Erkenntnisse wurden in einer Gefügekarte zusammengefasst.
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Ermüdungsschädigung und Kurzrissausbreitung in nichtrostendem Stahl unter korrosivem Kraftstoffeinfluss
(Stuttgart : Materialprüfungsanstalt (MPA), Universität Stuttgart, 2020) Benk, Zeynel; Weihe, Stefan (Prof. Dr.-Ing.)
Komponenten der Benzindirekteinspritzung, die im Wesentlichen aus nichtrostenden Stählen hergestellt werden, werden auf dem weltweiten Markt häufig mit ethanolhaltigen Kraftstoffen eingesetzt. Dabei werden sie infolge regionaler Vorgaben und der Bioethanolherstellung bei unterschiedlicher Kraftstoffzusammensetzung und -qualität betrieben. Diese Randbedingungen können zu dem technischen Risiko führen, dass infolge der überlagerten potenziellen Kraftstoffkorrosion bei zyklisch-mechanischen Beanspruchung ein relevanter Schwingfestigkeitsabfall an kraftstoffführenden Komponenten entsteht. Dies lässt sich mit dem Phänomen der Schwingungsrisskorrosion in Verbindung bringen. Der breite Einsatzbereich der Kraftstoffe mit vielfältiger Zusammensetzung und Qualität birgt vor allem die technische Herausforderung, den Mechanismus der Schwingungsrisskorrosion zuverlässiger bewerten zu können. In der vorliegenden Arbeit soll ein neues Konzept zur Ermüdungsbewertung von Komponenten unter korrosivem Kraftstoffeinfluss vorgestellt werden. Hierfür wurde eine generische Prüf- und Messmethodik mit einem optischen Messsystem entwickelt, um den für die Ermüdungslebensdauer entscheidenden Kurzrissbereich charakterisieren zu können. Die Untersuchungen erfolgten an bauteilnahen Proben aus dem nichtrostenden martensitischen Stahl X17CrNi16-2 (1.4057). Es konnte durch die Erfassung kurzer Ermüdungsrisse gezeigt werden, dass an Luft ein Rissstopp an einer ehemaligen Austenitkorngrenze auftreten kann, jedoch der Riss bei einer Kraftstoffumgebung weiter wächst, was zu einer Lebensdauer- und Schwingfestigkeitsabnahme führt. Neben der Absenkung des zyklischen Schwellenwerts konnten auch Rissschließmechanismen festgestellt werden, die einen großen Einfluss auf die Phasen der Ermüdungslebensdauer haben. Aus den experimentellen Untersuchungen kurzer sowie langer Risse konnten auch material- sowie kraftstoffabhängige Parameter für die analytische Modellbildung abgeleitet werden, womit eine schwingbruchmechanische Schwellenwertbewertung sowie Lebensdauerabschätzung unter Berücksichtigung der hierbei wichtigen Rissschließeffekte durchgeführt werden kann. Somit wurde eine systematische experimentelle Untersuchung der Schwingbruchmechanik unter korrosivem Kraftstoffeinfluss durchgeführt und daraus ein fundiertes Mechanismenverständnis der Schwingungsrisskorrosion an kraftstoffführenden Komponenten aufgebaut. Die abgeleitete generische Analyse- und Prognosemethodik erlaubt eine zuverlässigere Auslegung derart belasteter Bauteile.
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Experimentelle und numerische Untersuchungen des Rührreibschweißens von Aluminium- und Aluminium-Stahl-Verbindungen zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften
(Stuttgart : Materialprüfungsanstalt (MPA), Universität Stuttgart, 2020) Werz, Martin; Weihe, Stefan (Prof. Dr.-Ing.)
Die Reduktion des Fahrzeuggewichtes durch Leichtbau stellt eine effektive Möglichkeit zur Vergrößerung der Reichweite von E-Mobilen sowie zur Verringerung der Emissionen bei konventionellen Kraftfahrzeugen dar. Sowohl beim konstruktiven als auch beim Werkstoff-Leichtbau kommt dabei der Fügetechnologie eine entscheidende Rolle zu. Das hochfeste schweißtechnische Fügen niederlegierter ferritischer Stähle, wie sie im Karosseriebau eingesetzt werden, wird heute mit verschiedenen Schmelz- und Pressschweißverfahren wie z. B. dem Laser- oder Widerstandpunktschweißen beherrscht. Beim Verschweißen von hochfesten Aluminiumwerkstoffen mit heute gängigen Schweißprozessen kann es jedoch an der Fügestelle zu signifikanten Einbußen der Festigkeit kommen. Die festigkeitssteigernden Mechanismen im Aluminium werden durch die hohe Wärmeeinbringung beim Aufschmelzen reduziert bzw. gehen verloren. Bei der mit der Erstarrung einhergehenden Gefügeneubildung können diese Mechanismen nicht mehr oder nur noch in geringerem Maße aktiviert werden. Darüber hinaus stellen, je nach chemischer Zusammensetzung der Aluminiumlegierung, Heißrisse sowie im speziellen Fall des Widerstandpunktschweißens der hohe Elektrodenverschleiß generelle Probleme dar. Um diese mit dem Aufschmelzen bzw. Erstarren der hochfesten Aluminiumlegierungen zusammenhängenden Probleme zu lösen bzw. vielmehr zu umgehen, wurde 1991 am The Welding Institute (GB) das Rührreibschweißen entwickelt. Dabei handelt es sich um ein spezielles Pressschweißverfahren, bei dem der Werkstoff vollständig in fester Phase verbleibt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Reibschweißprozessen, wie z. B. dem Linear- oder Rotationsreibschweißen, wird dabei allerdings keine Relativbewegung zwischen den zu fügenden Bauteilen oder Werkstoffen benötigt. Vielmehr wird die Reibarbeit durch ein rotierendes Schweißwerkzeug eingebracht, das in den Fügespalt eingepresst und entlang desselben verfahren wird. Durch den Materialtransport um das rotierende Werkzeug bzw. dessen Pin wird die Schweißnaht hergestellt. Aufgrund dieser Besonderheit, dass der Werkstoff in fester Phase verbleibt, sind neben hochfesten Aluminiumverbindungen auch Mischverbindungen möglich. Solche Mischverbindungen sind schmelzmetallurgisch nicht oder nur eingeschränkt möglich. Hierzu zählen insbesondere stoffschlüssige Aluminium-Stahl-Mischverbindungen, die für den ökonomischen Hybrid-Leichtbau der Karosserie von besonderem Interesse sind. Die Festigkeit solcher Verbindungen kann allerdings durch spröde intermetallische Verbindungen stark begrenzt werden. Dies stellt eine der technologischen Grundherausforderungen dieser Arbeit dar. Daher soll diese Arbeit dazu beitragen, den Rührreibschweißprozess als industrielles Fertigungsverfahren für hochfeste Aluminium- und Aluminium-Stahl-Hybrid-Verbindungen, besonders für den Karosseriebau mit seinen spezifischen Anforderungen, zu etablieren. Um den Prozess besser zu verstehen und die Auswirkungen auf die resultierenden Festigkeitseigenschaften quantifizieren zu können, werden in dieser Arbeit vorrangig experimentelle, aber auch numerische Ansätze entwickelt. Des Weiteren ist es das Ziel, die gewonnenen Erkenntnisse in Form von Prozesserweiterungen, -verbesserungen oder -abwandlungen für industrielle Prozesse nutzbar zu machen. Da die in diesem Zusammenhang entwickelten Lösungen teilweise deutlich über den aktuellen Stand der Technik hinausgehen, wurden während dieser Arbeit eine hohe Zahl an Erfindungen mit nachfolgenden Patentanmeldungen gemacht (siehe Tabelle 8.1). Grundlage des ersten Teils der Arbeit ist die Entwicklung geometrisch neuartiger Schweißnahtkonfigurationen samt zugehörigem Herstellungsprozess, um Aluminium- und Stahlbleche unterschiedlichster Dicke hochfest fügen zu können. Hierbei wird explizit auf die Anforderungen für eine spätere Nutzung der Mischverbindungen in hybriden Tailor Welded Blanks (TWB) eingegangen. Hierzu gehört besonders die Anforderung, die Schweißnaht als Stumpfstoß und einseitig eben auszuführen. Ein weiteres Erfordernis besteht darin, dass die Tailor Welded Blanks in Tiefziehprozessen umformbar sind und dabei nicht im Bereich der Schweißnaht aufreißen. Zwei unterschiedliche Lösungen wurden hierzu entwickelt: Bei der ersten Ausführung wird das höherfeste, aber dünnere Stahlblech entlang der Schweißnaht umgebördelt, um so eine Vergrößerung des Anbindungsquerschnittes zu realisieren. Da dies einen zusätzlichen Bearbeitungsschritt erfordert und insbesondere hochfeste Stähle nicht rissfrei aufeinander umgelegt werden können, wurde im Verlauf dieser Arbeit eine zweite Lösung entwickelt. Hierbei wird ein Rührreibschweißwerkzeug mit abgestuftem Schweißstift verwendet, um eine kombinierte Überlapp- und Stumpfstoßverbindung herzustellen. Dabei führt der untere zylindrische Abschnitt des Schweißstiftes eine Stumpfverschweißung zwischen Stahl und Aluminium aus. Der stirnseitige Abschnitt der Stufe des Schweißstifts erzeugt gleichzeitig eine Überlappverbindung zwischen den beiden Werkstoffen. Der Vergleich beider entwickelter Lösungen mit dem Stand der Technik wurde anhand der automobiltypischen Werkstoffkombination EN AW-6016-T4 2,0 mm (Aluminium-Magnesium-Silizium-Legierung) / HC340LAD 1,0 mm (mikrolegierter Feinkornstahl) durchgeführt. Dabei zeigt sich besonders in den Schwingfestigkeitsuntersuchungen eine signifikante Überlegenheit der kombinierten Stumpf- und Überlappverbindung gegenüber dem Stand der Technik. Kombinationen von Aluminium und Stahl, bei denen das Produkt von Blechdicke und Festigkeit seitens des Aluminiums etwas größer ist als das des Stahlblechs, zeigen in Napfziehversuchen Umformergebnisse ohne Aufreißen der Schweißnaht. Kombinationen, bei denen das Produkt von Blechdicke und Festigkeit seitens des Stahls größer war, zeigen auch nach Optimierung der Schweißparameter eine signifikante Dehnungslokalisierung mit nachfolgender Rissbildung in der WEZ des Aluminiums. Für diesen Fall der Dehnungslokalisierung in der Schweißnaht wird für aushärtbare Legierungen, basierend auf dem Aluminium-Magnesium-Silizium-Dreistoffsystem (6000er), eine neuartige Wärmebehandlungsmethode entwickelt. Ausgangspunkt dafür sind systematische Untersuchungen des Auslagerungsverhaltens des Grundwerkstoffs bei unterschiedlichen Auslagerungstemperaturen, -dauern und Zwischenauslagerungszeiten. Ferner werden die Grenzen für das Auftreten von Rekristallisation für den Grundwerkstoff, vorgedehnten Werkstoff und gleichartigen Schweißverbindungen experimentell untersucht. Überdies werden sowohl das Wachstum der intermetallischen Phasen in Glühversuchen von Aluminium-Stahl-Rührreibschweißverbindungen als auch die Auswirkung auf die Verbindungsfestigkeit untersucht. Es zeigt sich, dass der dickenabhängige, festigkeitslimitierende Effekt dieser Grenzschicht sehr gut mit der von Weibull entwickelten Theorie erklärt werden kann. Die quantitative Beschreibung dieses Zusammenhangs ergibt, dass herkömmliche Lösungsglühprozesse, aufgrund der zur Erwärmung der Bauteile benötigten Zeiten, nicht zielführend sind. Die neu entwickelte Wärmebehandlungsmethode nutzt daher den Schweißprozess selbst als lokalen Lösungsglühprozess. Grundvoraussetzung hierfür ist, dass der Schweißprozess ausreichend schnell ausgeführt wird, sodass es währenddessen nicht zu einer Überalterung der festigkeitssteigernden Ausscheidungen kommt. Durch die deutlich längere, logistisch bedingte Raumtemperatur-Zwischenauslagerung des Grundwerkstoffs im Vergleich zur Schweißnaht spricht dieser deutlich langsamer auf eine Warmauslagerung bei vergleichsweise niederen Temperaturen an. Dies bedeutet, dass mit dieser Methode die Festigkeit der Schweißnaht durch Warmauslagerung gesteigert werden kann, ohne dass der Grundwerkstoff eine signifikante Festigkeitssteigerung erfährt. Für die Legierung EN AW-6016 werden Prozessdiagramme zur Ermittlung der minimal notwendigen Warmauslagerungsdauer entwickelt. Die Diagramme berücksichtigen dabei die Auslagerungstemperatur, die Dauer der Kaltauslagerung der Schweißnaht sowie den Nahtunterhang der Rührreibschweißnähte. Die Diagramme werden mittels gleichartiger Aluminium-Schweißnähte und Aluminium-Stahl-Mischverbindungen validiert. Der dritte und abschließende Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der numerischen Modellierung des Rührreibschweißprozesses, um zukünftig numerische Prozessoptimierungen zur weiteren Steigerung der Festigkeit durchführen zu können. Anhand einer Literaturrecherche wird gezeigt, dass ein wesentliches Steigerungspotential hinsichtlich der Aussagekraft der Prozesssimulationen in den hierzu verwendeten Materialmodellen liegt. Hierzu werden die bislang in der Literatur bekannten Werkstoffmodelle daraufhin analysiert, wie gut diese die Fließspannung über die breiten Dehnraten-, Temperatur-, und Dehnungsbereiche abbilden, die beim Rührreibschweißen auftreten können. Da bekannte thermomechanische Werk-stoffmodelle für andere Anwendungen wie z. B. ballistische Impacts oder Warmumformung entwickelt wurden, zeigt sich die Notwendigkeit für eine Neuentwicklung. Bei dieser Neuentwicklung wird bewusst ausschließlich auf Effekte eingegangen, die bereits in der Literatur bekannt sind und die für den Prozessbereich des Rührreibschweißens als relevant einzustufen sind. Das neu entwickelte Modell wird unter Berücksichtigung verschiedener Annahmen zum Werkstoffverhalten bei Temperaturwechseln als User-Subroutine für Abaqus/Explicit implementiert. Zur Bestimmung der benötigten Modellparameter werden mit einer Gleeble 2000 bei einem breiten Temperatur- und Dehnratenspektrum für die Werkstoffe Al 99,5, EN AW-5182, AlSi10Mg und EN AW-6016 Druckversuche durchgeführt. Das Materialmodell reduziert den Modellfehler bei der Anpassung der Versuchsergebnisse gegenüber bereits etablierten Materialmodellen erheblich. Hierdurch wird die Aussagekraft von Prozesssimulationen, die dieses Materialmodell gegenüber dem etablierten Johnson-Cook-Modell verwenden, erheblich gesteigert.
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Experimentelle und numerische Untersuchungen zum Ermüdungsverhalten austenitischer Werkstoffe im HCF- und VHCF-Bereich
(Stuttgart : Materialprüfungsanstalt (MPA), Universität Stuttgart, 2024) Schopf, Tim; Weihe, Stefan (Prof. Dr.-Ing.)
Ziel dieser Arbeit ist die Formulierung einer Ermüdungsbewertungsmethodik zur Berücksichtigung von Beanspruchungen im Bereich hoher Lastwechselzahlen und deren Überlagerung mit Beanspruchungen im Zeitfestigkeitsbereich für austenitische Werkstoffe und deren Schweißverbindungen. Anhand umfangreicher experimenteller Untersuchungen konnten das komplexe zyklische Werkstoffverhalten sowie signifikante plastische Dehnungsanteile bei sehr geringen Beanspruchungen identifiziert werden. Diese bilden die Grundlage zur Berechnung der Ermüdungsbeanspruchung und der Verbesserung der Bewertungsmethodik. Zusätzlich leisten Erkenntnisse aus Ermüdungsversuchen mit betriebsrelevanten Belastungskollektiven einen wesentlichen Beitrag zu einer konsolidierten Abdeckung von nichtlinearen Schadensakkumulationseffekten und der transienten Dauerfestigkeit. Ein weiterer Baustein stellt die elastisch-plastische Bewertung der experimentellen Ergebnisse aus der Literatur dar. Hiermit können validierte Ermüdungskurven mit einem Gültigkeitsbereich bis in den VHCF-Bereich, gestützt auf einer experimentellen Datenbasis, bereitgestellt werden. In numerischen Untersuchungen wurde gezeigt, dass mit Hilfe der abgeleiteten Materialmodelle und eines nichtlinear isotrop-kinematisch kombinierten Verfestigungsansatzes das transiente Verhalten der Spannungs-Dehnungs-Tensoren aus den Experimenten abgebildet werden kann. Somit lassen sich die notwendigen zyklischen Beanspruchungsgrößen zur Berechnung der Ermüdungsschädigung aus numerischen Analysen ableiten und zur Verfügung stellen. Des Weiteren kann durch die Modifikation von Schädigungsparametern anhand mehrparametrischer Formulierungen der zyklischen Spannungs-Dehnungs-Kurve und einer Anpassung zur verbesserten Beschreibung der Ermüdungskurven im VHCF-Bereich eine höhere Genauigkeit in der Lebensdauerberechnung erreicht werden. Die Ergebnisse der entwickelten Ermüdungsbewertungsmethodik zeigen, dass die nichtlinearen Schädigungseffekte sowie das transiente Dauerfestigkeitsverhalten von kombinierten Beanspruchungen aus LCF-/HCF- und VHCF-Bereich, respektive Beanspruchungen unterhalb der Dauerfestigkeit, konsistent abgedeckt werden können. Die Lebensdauer der Versuche wird innerhalb eines engen Streubereichs vorhergesagt.
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Influence of hydrogen gas environment on fatigue short crack growth in austenitic and martensitic stainless steel
(Stuttgart : Materialprüfungsanstalt (MPA), Universität Stuttgart, 2022) Schwarz, Martina; Weihe, Stefan (Prof. Dr.-Ing.)
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Micromechanical simulation of fatigue crack initiation under hydrogen influence
(Stuttgart : Materialprüfungsanstalt (MPA), Universität Stuttgart, 2021) Arnaudov, Nikolai; Weihe, Stefan (Prof. Dr.-Ing.)
Die Entwicklung von Komponenten für Anwendungen in der Brennstoffzellentechnologie, die in Kontakt mit Druckwasserstoff stehen, stellt hohe Anforderungen an Sicherheit und Zuverlässigkeit. Bei dem Einsatz von Bauteilen in Wasserstoffgasatmosphäre muss der schädigende Effekt von Wasserstoff auf metallische Werkstoffe berücksichtigt werden. Die sehr kleinen Wasserstoffatome ermöglichen eine Diffusion des Gases in das Metall und sammeln sich lokal an, wobei sie mechanische Eigenschaften und das Materialverhalten ändern können. Experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, dass Wasserstoff die Ermüdungslebensdauer einiger Stähle reduziert. Mit dem Ziel zuverlässige, sichere und wirtschaftliche Bauteile für das Brennstoffzellensystem zu garantieren, wurde ein Modell entwickelt, um die Lebensdauer von Stählen unter Wasserstoffatmosphäre vorherzusagen. Unter Berücksichtigung der Mikrostruktur des untersuchten Stahles, kann das Simulationsmodell lokale Wasserstoffkonzentrationen sowie die Verteilung des Wasserstoffs bedingt durch die Wechselwirkung mit der Mikrostruktur berechnen. Die Formulierung basiert auf einem gekoppelten Finite-Elemente Modell, welches den Wasserstofftransport und große elastoplastische Deformationen auf Mikrostrukturebene beschreibt. Dazu wird ein phänomenologisches anisotropes Kristallplastizitätsmodell verwendet, das plastische Deformation als Gleiten auf definierten Gleitsystemen beschreibt. In dieser Arbeit wird beispielhaft der ferritische Stahl 1.4003 untersucht, der für Komponenten der Brennstoffzelle verwendet werden könnte. Mikrostrukturuntersuchungen liefern Informationen wie beispielsweise die Kristallstruktur und die Kornorientierung des Stahls. Diese Informationen werden verwendet um repräsentative Gebiete zu erzeugen, auf denen die Simulationen gerechnet werden. Materialparameter werden mit Hilfe von Ermüdungsexperimenten bestimmt, die anschließend auch zur Validierung des Modells verwendet werden. Es wird eine Vorgehensweise entwickelt, um die Ermüdungslebensdauer des Materials aus mikromechanischen Spannungs- und Dehnungsgrößen abzuleiten, die mittels der Finite-Elemente Simulation bestimmt werden. Dieser Ansatz basiert auf der Idee von Ermüdungsindikatoren. Einige Forschungsgruppen konnten mit dieser Methode unter Verwendung mikromechanischer Simulationen die Ermüdungslebensdauer an Luft erfolgreich vorhersagen. In dieser Arbeit wird eine Modifikation eines Ermüdungsindikators vorgeschlagen, die die lokale getrappte Wasserstoffkonzentration berücksichtigt. Der daraus resultierende erhöhte Anteil lokaler akkumulierter plastischen Dehnung verursacht ein frühzeitiges Versagen des Materials. Ein Vergleich mit Daten aus Ermüdungsexperimenten validiert das Modell hinsichtlich der Vorhersagegüte der Ermüdungslebensdauer des untersuchten Materials in Luft- wie in Wasserstoffatmosphäre. Mittels numerischer Studien wird die Sensitivität des Modells bezüglich Materialparameter untersucht und der Einfluss der Mikrostruktur auf die Wasserstoffdiffusion und Anhäufung betrachtet. Der hier vorgestellte Ansatz verbessert das physikalische Verständnis für das mikrostrukturabhängige Ermüdungsverhalten unter Wasserstoffatmosphäre und stellt ein zentrales Element für eine zuverlässige Bauteilauslegung für industrielle Anwendungen.
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Untersuchungen zum Einfluss von veränderten austenitischen Schweißnahtgefügen auf die Ultraschallprüfung
(Stuttgart : Materialprüfungsanstalt (MPA), Universität Stuttgart, 2022) Wagner, Sabine; Weihe, Stefan (Prof. Dr.-Ing.)