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Autor(en): Schauer, Georg
Titel: Auslegungsansatz für Stahlbauteile bei Ermüdungsbeanspruchung in Druckwasserstoffatmosphäre
Erscheinungsdatum: 2018
Verlag: Stuttgart : Materialprüfungsanstalt (MPA), Universität Stuttgart
Dokumentart: Dissertation
Seiten: XXIII, 198, CXCIX-CCXXXII
Serie/Report Nr.: Technisch-wissenschaftlicher Bericht / Materialprüfungsanstalt (MPA), Universität Stuttgart;2018,2
URI: http://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/10105
http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:93-opus-ds-101051
http://dx.doi.org/10.18419/opus-10088
ISBN: 978-3-946789-03-1
Zusammenfassung: 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.
Enthalten in den Sammlungen:04 Fakultät Energie-, Verfahrens- und Biotechnik

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