A246

Ermüdungsverhalten artverschiedener Stähle und einer Mischverbindung unter Einwirkung von Druckwasserstoff

(A246 S 24/10132/2007)

Laufzeit der Forschungsarbeiten: 1. Januar 2007 – 30. Juni 2010 Ziel des Forschungsvorhabens war die Ermittlung des Ermüdungsverhaltens der Stähle X2CrNi19-11 und X3CrNiMo13-4 sowie einer mit austenitischem Schweißgut gefertigten Schweißverbindung des Stahles X8Ni9 unter Einwirkung von Druckwasserstoff. Für den austenitischen Stahl X2CrNi19-11 war der Einfluss von Nickelgehalt und Kaltverformung zu untersuchen. Für die Schweißverbindung aus dem kaltzähen ferritischen Stahl X8Ni9 war zu ermitteln, welcher Bereich (Grundwerkstoff, Wärmeeinflusszone oder Schweißgut) am empfindlichsten auf Wasserstoff reagiert. Für den weichmartensitischen Stahl X3CrNiMo13-4 war die Auswirkung einer durch geeignete Wärmebehandlung abgesenkten Dehngrenze zu ermitteln. Als Grundlage für die Auslegung und den sicheren Betrieb von mit Wasserstoff beaufschlagten Komponenten wurden mit langsamen Zugversuchen Werkstoffkennwerte an glatten und gekerbten Zugproben bestimmt und mit spannungskontrolliert an gekerbten Proben durchgeführten Zugschwellversuchen Wöhlerlinien für den Bereich kleiner 100.000 Lastwechsel ermittelt. Die Zugversuche wurden mit einer konstanten Abzugsgeschwindigkeit von 1 mm/min (Dehngeschwindigkeit im elastischen Bereich 4,6·10-5 1/s), die Zugschwellversuche mit einer Frequenz von 1 Hz und einem Spannungsverhältnis R=0,1 durchgeführt. Zugversuche an sechs Varianten des Werkstoffs X2CrNi19-11 mit Nickelgehalten zwischen 9,07 und 12,73 % ergaben bei Raumtemperatur (RT) nur für die beiden niedrigen Nickelgehalte (9,07 und 10,70 %) wesentlich niedrigere Verformungskennwerte in Wasserstoff als im inerten Medium Helium. Bei -50 °C zeigt sich der Einfluss von Wasserstoff auch noch bei der Variante mit dem höchsten Nickelgehalt. Die bei RT für die drei Nickelgehalte 11,37 %, 12,36 % und 12,73 % unter Einfluss von Wasserstoff ermittelten Wöhlerlinien zeigen, dass die Bruchlastwechselzahlen für die niedrigeren Nickelgehalte gegenüber den in Helium ermittelten um den Faktor 3 bis 5 niedriger sind. Die Variante mit dem höchsten Ni-Gehalt zeigt keinen Einfluss von Wasserstoff. Bei -50 °C ergaben sich für alle drei Varianten in Wasserstoff niedrigere Bruchlastwechselzahlen als in Helium. Mit zunehmendem Nickelgehalt wird der Einfluss von Wasserstoff auf das Verformungsverhalten bei langsamer Zugbeanspruchung und auf das Ermüdungsverhalten geringer. Bei RT tritt dieser Effekt bereits bei niedrigeren Nickelgehalten ein als bei -50 °C. Kaltverformung führt zu einer Erhöhung der Bruchlastwechselzahlen in Wasserstoff und in Helium. Das Ausmaß des Wasserstoffeinflusses hängt von der Temperatur ab, bei der die Kaltverformung durchgeführt wurde. Der bei 77 K kaltverformte Werkstoff wird stärker beeinflusst als der bei RT kaltverformte. Die an ausgewählten Proben durchgeführte Schwingstreifenanalyse zeigt, dass die Phase des Risswachstums bei den in Wasserstoff geprüften Proben bei niedrigeren Lastwechselzahlen als bei den in Helium geprüften beginnt, und dass die Risswachstumsgeschwindigkeit in Wasserstoff teilweise wesentlich höher ist als in Helium. Unterschiede in der Ausbildung der Ermüdungsbruchfläche zwischen den in Wasserstoff und den in Helium geprüften Proben wurden nicht festgestellt. Bei der Schweißverbindung aus dem Werkstoff X8Ni9 erwies sich im Kerbzugversuch bei RT und bei -50 °C der Bereich der Schmelzlinie als derjenige, der am empfindlichsten auf Wasserstoff reagiert. Die im Zugschwellversuch ertragenen Bruchlastwechselzahlen liegen für beide Temperaturen für die in Wasserstoff geprüften Proben rd. um den Faktor 10 niedriger als die in Helium ermittelten. Der weichmartensitische Stahl X3CrNiMo13-4 zeigt auch nach einer modifizierten Wärmebehandlung und dadurch abgesenkter Dehngrenze bei RT und weniger ausgeprägt bei 150 °C im Zugversuch niedrigere Verformungskennwerte in Wasserstoff als in Helium. Die im Zugschwellversuch ertragenen Bruchlastwechselzahlen liegen für beide Temperaturen (RT, 150 °C) für die in Wasserstoff geprüften Proben niedriger als die in Helium ermittelten. In Wasserstoff erhöhen sich die Bruchlastwechselzahlen bei 150 °C im Vergleich zu RT. Mit größerem Kerbradius und damit geringerer Kerbschärfe ergeben sich bei RT und 150 °C in beiden Medien höhere Bruchlastwechselzahlen als bei kleinerem Kerbradius. Der Einfluss des Wasserstoffs auf das Werkstoffverhalten bei zügiger Beanspruchung sowie auf das Ermüdungsverhalten wird durch das Absenken der Dehngrenze nicht wesentlich beeinflusst. Das Ziel des Vorhabens, das im Kern in der Bereitstellung von Werkstoffkenndaten für die Auslegung von während des Betriebes unter Einfluss von Wasserstoff stehenden Bauteilen war, wurde erreicht. Die im Vorhaben gewonnenen Daten und die darauf basierenden Auslegungskriterien ermöglichen die Sicherstellung der Integrität und des wirtschaftlichen Betriebs dieser Bauteile. Damit wird auch die Möglichkeit eröffnet, die Anwendungsgrenzen ggf. erweitern zu können. Schließlich können die Ergebnisse zur Stahl- und Legierungsoptimierung herangezogen werden. Forschungsstelle 1:
Materialprüfungsanstalt Uni Stuttgart Otto-Graf-Institut (MPA)
www.mpa.uni-stuttgart.de

Forschungsleiter 1:
Prof. Dr.-Ing. habil Eberhard Roos

(vorgelegt vom Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e.V. (VDMA) für Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen e.V. (FVV))

Das Forschungsvorhaben wurde gefördert von der Stiftung Stahlanwendungsforschung im Stifterverband für die Deutsche Wissenschaft e.V.

Bezugsquelle Schlussbericht:
bitte wenden Sie sich an die AVIF