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Neue experimentelle Methoden zur Untersuchung von Wasserstoff-transport, -verteilung und -schädigung

Elektochemische und Plasmawasserstoffaufladung

Abbildung 1: Elektrochemische H-Aufladezelle (unten), konzipiert für Nanoindentationsversuche (oben), Bild: MCL

Abbildung 2: Ergebnisse der H-Plasmaladung: In-situ-Bilder der Alloy 718 S1-Probe, die den in der Last-Dehnungs-Kurve markierten Punkten entsprechen, Bild: MCL

Der Übergang zu einer klimaneutralen Wirtschaft führt zwangsläufig zu Veränderungen im Energiesektor, in dem Wasserstoff (H) einer der vielversprechendsten Energieträger mit null Treibhausgasemissionen sein dürfte.


Die Wechselwirkung von Wasserstoff mit den meisten bekannten Werkstoffen führt zu deren Zersetzung und Versagen, auch bekannt als Wasserstoff-versprödung (HE). Die zugrundeliegenden Mechanismen hängen nicht nur stark vom Material ab, sondern auch von den Bedingungen, unter denen Wasserstoff in das Material eindringt. Diese Aspekte stellen bestimmte Anforderungen an die experimentellen Untersuchungen, die mit den Standardmethoden nicht leicht zu erfüllen sind, und es werden neue Ansätze benötigt, um die grundlegenden Aspekte dieses Phänomens zu beleuchten.


Eine Kombination aus elektrochemischer Aufladung und mikromechanischer Prüfung auf der Mikroskala ermöglicht am MCL einen direkten Einblick in die lokale mechanische Reaktion eines Materials auf die H-Aufladung in verschiedenen Umgebungen, wie in Abbildung 1 dargestellt. Der neu eingerichtete elektrochemische Aufladungsaufbau für einen Nanoindenter eröffnet neue Horizonte für die Untersuchung der Auswirkung von H auf die lokalen mechanischen Eigenschaften verschiedener metallischer Legierungen und eine Möglichkeit zur eingehenden Analyse der H-Mikrostruktur-Wechselwirkung in Systemen, die schweren H-haltigen Umgebungen ausgesetzt sind.

Die Fähigkeit von H, dem leichtesten Element im Periodensystem, aus dem Material zu entweichen macht in-situ-Untersuchungen von HE zu einer wichtigen aber auch äußerst schwierigen Aufgabe in den meisten verfügbaren Materialien. Eine mögliche Lösung für dieses Problem bietet die Kombination einer H-Plasma-Ladetechnik mit einer mechanischen Prüfeinrichtung in der Kammer des Rasterelektronen-mikroskops (REM). Diese neu entwickelte Methodik ermöglicht die direkte Beobachtung des Materialbruchs im REM während der H-Aufladung. Erste Ergebnisse, die mit dem Versuchsaufbau erzielt wurden, sind in Abbildung 2 dargestellt, wobei die H-Prüfung parallel zur REM-Beobachtung der Rissöffnung und -ausbreitung durchgeführt wurde.


Wirkungen und Effekte

Die entwickelten experimentellen Methoden zur Untersuchung von Wasserstoff sind ein wichtiger und notwendiger Schritt zum Verständnis des Phänomens auf der Mikrostrukturskala. Es wird erwartet, dass die Methoden einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung und Bewertung neuer Materialien für die Wasserstoffwirtschaft leisten werden.

 

Projektkoordination (Story)
Dr. Vsevolod Razumovskiy
Key Scientist Computational Materials Design
Materials Center Leoben Forschung GmbH
T +43 (0) 3842 45922-69
vsevolod.razumovskiy(at)mcl.at

 

Projektpartner
• Montanuniversität Leoben, Österreich
• Österreichische Akademie der Wissenschaften, Österreich
• Max-Planck-Institut für Plasma Physik, Deutschland
• voestalpine BÖHLER Edelstahl GmbH & Co KG, Österreich

 

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