The influence of mechanical strain on the hydrogen diffusion in a structural steel (FeE 690T) was investigated using the electrochemical permeation technique. The method was applied without any kind of coating, but surface conditions were strictly controlled. The deformation was introduced either by cold working or by "in-situ" tensile straining.
The hydrogen diffusion turned out to be highly dependent on the degree of deformation. Above yield stress an increasing plastic deformation led to a decrease of the apparent diffusion, whereas above 50% deformation the diffusibility remained fairly constant. Voids and dislocations, which knowingly act as "sinks" for hydrogen, are considered to be responsible for this observations. The trapping energy was estimated to be -47 kJ/molH. The method by which the material was deformed had no visible effect on the hydrogen permeation.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Theoretische Grundlagen der Wasserstoffpermeationsversuche
2.1 PRINZIP
2.2 AUSWERTUNG DES PERMEATIONSKURVEN BEI POTENTIOSTATISCHER BELADUNG
2.3 TRAPPING
2.4 GRENZEN DER METHODE: OBERFLÄCHENEFFEKTE
3 Apparativer Aufbau
3.1 ELEKTROCHEMISCHE ZELLE
3.2 PRÜFMASCHINE
3.3 ELEKTRISCHE SCHALTUNG
3.4 MEßDATENERFASSUNG
3.5 MATERIAL UND PROBENVORBEREITUNG
3.7 VERSUCHSDURCHFÜHRUNG
3.7.1 Einbau der Probe in die Versuchsapparatur
3.7.2 Einstellung konstanter Versuchsbedingungen (Passivierung)
3.7.3 Wasserstoffbeladung
4 Ergebnisse
4.1 PERMEATION AN UNVERFORMTEN PROBEN
4.2 WASSERSTOFFPERMEATION AN PLASTISCH VERFORMTEN STAHLMEMBRANEN
5 Diskussion
Zielsetzung und Themen
Die vorliegende Arbeit untersucht den Einfluss mechanischer Beanspruchung auf das Diffusionsverhalten von Wasserstoff in einem höherfesten Feinkorn-Baustahl (FeE 690T), um ein besseres Verständnis der für die spannungsinduzierte Wasserstoffversprödung verantwortlichen Mechanismen zu erlangen.
- Untersuchung des Diffusionsverhaltens unter mechanischer Last
- Entwicklung und Validierung einer elektrochemischen Permeationszelle
- Analyse des Einflusses von Versetzungen und Fehlstellen als Wasserstoff-Fallen
- Vergleich von Kaltwalzen und in-situ Zugverformung
Auszug aus dem Buch
2.4 Grenzen der Methode: Oberflächeneffekte
Die Menge an diffusiblem Wasserstoff ist primär abhängig von der insgesamt produzierten Menge an Wasserstoff. Gemäß der Nernstschen Gleichung kann über ein vorgegebenes Potential eine bestimmte Wasserstoffkonzentration in der Probe eingestellt werden. Jedoch benötigen derartige Elektrodenreaktionen Aktivierungsenergien, die abhängig von Material und Elektrolyt zu Überspannungen führen.
Damit z.B. ein Proton an einem Ladungsübergang teilnehmen kann, muss es zunächst seine Hydrathülle abstreifen und durch die elektrische Doppelschicht an der Grenzfläche wandern. Im folgenden Schritt ist es notwendig, dass der an der Oberfläche adsorbierte Wasserstoff von der Probe absorbiert wird. Ist die Absorptionsgeschwindigkeit (z.B. durch den Einfluss von Oxidschichten [11,15]) klein, kann die Konzentration direkt unterhalb der Oberfläche an der Eintrittseite in Folge der konkurrierenden Rekombination von adsorbiertem Wasserstoff sehr klein werden, was zu einem niedrigen Konzentrationsgradienten innerhalb der Membran führt.
Folglich ergibt sich eine geringe Stromausbeute (< 0.1% bei Eisen und Stahl) und ein schwaches Messsignal. Mit sogenannten Promotoren wie H2S, NaCN oder As2O3 kann die Rekombinationsreaktion teilweise unterdrückt und die Stromausbeute verbessert werden [5,8]. Man nimmt an, dass Promotoren die Überspannung der Wasserstoffentwicklung herabsetzen und so den Bedeckungsgrad an der Eintrittseite erhöhen. Der entscheidende Nachteil der so erhöhten Wasserstoffaktivität ist (insbesondere bei hochfesten Stählen) die Bildung von Mikrorissen ("blistering") an der Eintrittseite der Probe (auch ohne die Einwirkung äußerer Spannung).
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Beschreibt die Relevanz der Wasserstoffdiffusion für die Betriebssicherheit technischer Strukturen und formuliert die Zielsetzung der experimentellen Untersuchung.
2 Theoretische Grundlagen der Wasserstoffpermeationsversuche: Erläutert die physikalischen Prinzipien der Permeation, die mathematische Auswertung mittels Fickscher Gesetze und die Bedeutung von Wasserstofffallen.
3 Apparativer Aufbau: Detailliert die konstruktiven Anpassungen einer Zugprüfmaschine und die Entwicklung einer symmetrischen Permeationszelle für Versuche unter Last.
4 Ergebnisse: Präsentiert die experimentellen Daten zur Wasserstoffdiffusion an unverformten sowie plastisch verformten Stahlmembranen.
5 Diskussion: Bewertet die Verlässlichkeit der verwendeten Methode und vergleicht die gewonnenen Kennwerte mit Literaturdaten niedriglegierter Stähle.
Schlüsselwörter
Wasserstoffdiffusion, Feinkorn-Baustahl, elektrochemische Permeation, Wasserstoffversprödung, mechanische Beanspruchung, Trapping, Versetzungen, Diffusionskoeffizient, plastische Verformung, Oberflächeneffekte, Spannungsrissbildung, Bindungsenergie, FeE 690T
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit untersucht das Diffusionsverhalten von Wasserstoff in einem höherfesten Stahl unter verschiedenen mechanischen Beanspruchungszuständen.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Im Fokus stehen die elektrochemische Permeationstechnik, der Einfluss von plastischer Verformung auf die Diffusion und die Identifikation von Wasserstofffallen im Material.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Ziel ist es, die Verlässlichkeit der Permeationstechnik unter mechanischer Belastung zu prüfen und das Ausmaß der Wasserstoffaufnahme in der plastischen Zone vor einer Rissspitze zu simulieren.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird die elektrochemische Permeationstechnik nach Devanathan und Stachursky eingesetzt, kombiniert mit einer speziellen Zugprüfvorrichtung.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil umfasst den apparativen Aufbau, die detaillierte Beschreibung der Versuchsdurchführung (Passivierung, Beladung) sowie die experimentellen Ergebnisse an verschiedenen Proben.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind Wasserstoffdiffusion, Trapping, plastische Verformung, FeE 690T und elektrochemische Permeation.
Wie beeinflusst eine Verformung über 50% das Diffusionsverhalten?
Bei sehr hohen Verformungsgraden nähert sich der effektive Diffusionskoeffizient einem konstanten, deutlich niedrigeren Wert an, da die Sättigung der Fallen erreicht ist.
Warum wurde auf eine Beschichtung der Proben mit Palladium verzichtet?
Eine zusätzliche Schicht hätte das bruchmechanische Verhalten der Probe unkontrolliert verändert und die Berechnung der Diffusionskoeffizienten im Substrat erheblich verkompliziert.
- Quote paper
- Guido Juilfs (Author), 1998, Wasserstoffdiffusion in einem höherfesten Stahl unter mechanischer Beanspruchung, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/15346
