Entwicklung einer Prüfmethodik zur Charakterisierung höchstfester Karosseriestähle hinsichtlich des Risikos zur Wasserstoff induzierten Rissbildung

Abstract

Das Phänomen der Wasserstoff induzierten verzögerten Rissbildung stellt einen limitierenden Faktor für den Einsatz von höchstfesten Mehrphasenstählen in der Automobilkarosserie dar. Ziel der Arbeit war es daher, die wesentlichen Zusammenhänge zwischen der Wasserstoffaufnahme im Fertigungsprozess der Karosserie, die Wirkung des Wasserstoffs unter mechanischer Belastung und den Einfluss unterschiedlicher Gefügezustände zu charakterisieren und daraus abgeleitet eine Prüfmethodik zur Beurteilung und gegebenenfalls Qualifizierung von Mehrphasenstählen zu erarbeiten. Über Messungen des Wasserstoffgehaltes vor und nach den einzelnen Prozessschritten der Karosseriefertigung konnte der Wasserstoffeintrag beim Widerstandspunktschweißen und den Beschichtungsprozessen der Vorbehandlung und der kathodischen Tauchlackierung quantifiziert werden. Die gemessenen Wasserstoffgehalte wurden in weiterer Folge mit den Verfahren zur Grundmaterialcharakterisierung unter Wasserstoff in Bezug gesetzt. Permeationsmessungen gaben Aufschluss über das Diffusionsverhalten von Wasserstoff in den unterschiedlichen Stahlgüten in Abhängigkeit des Verformungsgrades. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zur Grundcharakterisierung des Einflusses des Wasserstoffs auf die mechanischen Eigenschaften quasi-statische Zugversuche unter Druckwasserstoff und statische Zugversuche nach einer vorangegangenen kathodischen Wasserstoffbeladung durchgeführt. Der Einfluss des Gefüges verschiedener Stahlgüten bei gleicher Festigkeit in Verbindung mit dem darin enthaltenen Wasserstoff wurde über den Versprödungsindex bzw. über die Zeit bis zum Versagen beschrieben. Eine prinzipielle Abhängigkeit der Versprödungsneigung eines Werkstoffes von der Mikrostruktur konnte bestätigt werden. Die Ergebnisse zur Beschreibung des Werkstoffverhaltens unter dem Einfluss von Wasserstoff wurden den in der VDA-VDEh Arbeitsgruppe „Wasserstoff induzierte Rissbildung“ erarbeiteten Prüfmethoden gegenübergestellt und gesamthaft interpretiert. Eine ursprüngliche vorgeschlagene Napf-in-Napf Probe, bei der die Umformung und das Widerstandspunktschweißen kombiniert betrachtet wurden, musste anhand der in dieser Arbeit dargelegten Ergebnisse abgelehnt werden. Grund ist dabei die Schwierigkeit der Reproduzierbarkeit des Probenkörpers bzw. dessen Interpretierbarkeit. Die Umformung wurde anhand eines umgeformten Napfes berücksichtigt mit der die Wasserstoffaufnahme während der Lackierprozesse aber auch während korrosiver Belastungen überprüft werden konnte. Der Schweißprozess wurde über zwei separate Prüfmethoden abgebildet, die zum einen die fertigungsinduzierte Wasserstoffaufnahme im Lackierprozess (Keilprobe) berücksichtigen, aber auch den Einfluss des korrosionsinduzierten Wasserstoffgehalts (statische Scherzugprobe).

Hydrogen embrittlement or delayed fractures are the limiting factors when it comes to the utilization of advanced highest strength steels in a car body frame. The goal of the present work was to establish a link between the hydrogen introduced into the steel during the body in white manufacturing processes and the effect of hydrogen on the structural integrity in respect of the materials microstructure. A test method for the characterization and eventually qualification of multi-phase-steels should be established and evaluated with different steel grades. Thermal desorption measurements were performed to quantify the hydrogen up-take through the production processes. It was observed that the hydrogen content was increased during resistant spot welding and the paint process, namely pre-treatment and e-coating. The measured hydrogen contents were further on put into relation to the material characterization under the influence of hydrogen. Permeation measurements on different steel substrates in the unloaded, elastically stressed and plastically strained condition were done to quantify the effective diffusivity of hydrogen in steel. For characterizing the deleterious effects of hydrogen in advanced highest strength steels on the mechanical properties the slow strain rate test in gaseous hydrogen atmosphere and the constant load test of cathodically pre-charged samples were used within this thesis. The influence of the microstructure and introduced hydrogen of different steel grades with comparable strength levels were described via an embrittlement index and the time till fracture respectively. A dependency of the microstructure and strength level on the susceptibility to hydrogen embrittlement and delayed fracture respectively was confirmed. The results of the material characterisation mentioned above were used for the interpretation of the test methods that were evaluated within the VDA-VDEh working group “hydrogen delayed fracture”. The primarily proposed cup-in-cup test, consisting of deep drawn cups that were joined via resistant spot welding was rejected due to the lack of reproducibility of the samples itself and finally of its interpretation. Therefore the processes of forming and joining were considered via separate test methods. Regarding the forming process deep drawn cups were used for judging on the hydrogen uptake through the paint processes and also when dealing with corrosion induced hydrogen. The resistant spot welding was looked upon via two separate test methods. The hydrogen that is introduced during the pre-treatment and e-coating was tested by using the so called wedge sample. The influence of corrosion induced hydrogen uptake was considered by using the static tensile test of resistant spot welded shear samples.