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P 1290 – Ermittlung von Einflussfaktoren und Erarbeitung von Effusionsparametern zur sicheren Anwendung von durch wasserstoffinduzierte Schäden gefährdeten hochfesten Stahl-Bauteilen

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ISBN: 978-3-96780-070-8 Artikelnummer: 9e8e09eae670 Kategorien: ,

Beschreibung

P 1290 – Ermittlung von Einflussfaktoren und Erarbeitung von Effusionsparametern zur sicheren Anwendung von durch wasserstoffinduzierte Schäden gefährdeten hochfesten Stahl-Bauteilen

In der metallverarbeitenden Industrie, insbesondere in der Automobilindustrie hat der Einsatz von hoch- oder höchstfesten Stählen in den letzten Jahren stetig zugenommen. Diese Stähle besitzen jedoch ein erhöhtes Risiko gegenüber Wasserstoffversprödung. Wärmebehandlungsschritte zur Effusion von in der Fertigung eingebrachtem Wasserstoff werden aufgrund von fehlenden Kenntnissen der zugrundliegenden Effusionsmechanismen häufig länger als nötig gewählt. Mögliche Regressforderung im Schadensfall sollen so vermieden werden.
In diesem Forschungsvorhaben werden der Werkstoff- und Gefügeeinfluss auf die Wasserstoffdiffusion, -aufnahme und -effusion untersucht. Ziel dabei ist die Berechnung von Effusionszeiten bei verschiedenen Effusionstemperaturen, die ein Absenken des Wasserstoffgehalts auf ein unkritisches Maß  ermöglichen. Berechnete Effusionsdiagramme sollen dabei eine einfache Hilfestellung für die Wärmebehandlung in den Produktionsbetrieben der KMU bieten. Untersucht werden der Presshärtestahl 22MnB5, der Kaltumformstahl DP 800 sowie der 42CrMo4 als klassischer Maschinenbaustahl mit unterschiedlichen Umformgraden und Gefügezuständen. Dazu zählen zwei martensitische Gefüge (22MnB5, 42CrMo4), das Dualphasengefüge des DP 800 mit den Umformgraden ?=0, 0,4 und 0,7 sowie das normalisierte Gefüge des 42CrMo4 mit den Umformgraden ?=0, 0,4 und 0,7. Durch  Permeationsmessungen soll der Einfluss des Gefüges und der Temperatur auf die Wasserstoffdiffusion und -effusion ermittelt werden. Mit Hilfe von Permeationsmessungen bei RT und 70 °C lassen sich Diffusions- und Effusionskoeffizienten für weitere Temperaturen extrapolieren. Auf Grundlage der ermittelten Diffusions- und Effusionskoeffizienten werden Effusionszeiten für mögliche Wärmebehandlungstemperaturen numerisch berechnet. Es erfolgt eine Validierung der numerischen Simulationen durch Permeationsmessungen sowie Auslagerungsversuche im Ofen der Thermodesorptions Spektroskopie (TDS). Mit elektrochemischer Wasserstoffbeladung mit variablen Beladezeiten sollen Sättigungskurven bestimmt und die Wasserstoffaufnahme in Abhängikeit des Gefüges untersucht werden. In einer thermisch geregelten Probenkammer einer Zugprüfmaschine wird zudem der Einfluss von mechanisch aufgebrachten Spannungen auf die Wasserstoffeffusion untersucht. Die Permeationsmessungen und Auslagerungskurven zeigen, dass vor allem durch die plastische Verformung die Diffusions- und Effusionsgeschwindigkeit des Wasserstoffs stark abnimmt. Die plastische Verformung hat zudem eine drastische Erhöhung der Wasserstoffaufnahme zur Folge. Die Unterschiede im Diffusionsverhalten und der Wasserstoffaufnahme zwischen den überwiegend ferritischen und martensitischen Gefügen fallen dagegen vergleichsweise gering aus. Der Vergleich von simulierten Effusionskurven mit reellen Messdaten zeigt, dass sich die Wasserstoffeffusion vergleichsweise gut durch numerische Rechnungen abbilden lässt. Es werden Effusionsdiagramme berechnet, die eine einfache Abschätzung von Wärmebehandlungszeiten für die untersuchten Werkstoffe ermöglichen. Die Effusionsdiagramme werden mit Hilfe von Tiefziehnäpfen und RastegajevStauchproben, die als Musterbauteil fungierten, auf Ihre Anwendbarkeit hin überprüft.
Die Effusionsdiagramme bilden die Effusion insgesamt vergleichsweise konservativ ab, sodass zu kurze und damit ungenügende Effusionszeiten vermieden werden. Es wird zudem gezeigt, dass mechanisch aufgebrachte Spannungen die Wasserstoffeffusion signifikant verlangsamen.

Veröffentlichung:
2021

Autoren:
Prof. Dr.-Ing. M. Pohl