The influence of plastic strain on the diffusion behaviour of hydrogen in a low alloyed structural steel (FeE 690T) was investiated using the electrochemical permeation technique. The plastic deformation was introduced either by cold rolling or by tensile straining. It was shown, that the apparent diffusion coefficient depends on the plastic strain and on the overall hydrogen concentration, whereas the maximum hydrogen flux remained almost unchanged. These observations are interpreted in terms of variations in the dislocation density, which act as ′sinks′ for the diffusable hydrogen atoms. Together with the results of a previous study on the fracture toughness of FeE 690T in the presence of hydrogen the permeation data obtained in this work suggest that the observed influence of deformation rates on the fracture mechanism can be attributed to the reduced mobility of hydrogen atoms in the plastic zone. The assumption that the hydrogen transport during monotonic straining is controlled by diffusion was confirmed by investigations concerning the formation of surface films. Using a potentiodynamic method (cyclovoltammetry) a characterisation of the surface reactions involved in permeation experiments was performed. It was shown that the nature of the passive layers forming on the surface depens on the applied potential, affecting mainly the hydrogen absorption reaction. The hydrogen entry is assumed to preferably take place at so called ′active sites′ on the metal surface.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Grundlagen der Wasserstoffversprödung von Eisen und niedriglegierten Stählen
2.1 Begriff
2.2 Voraussetzungen für Wasserstoffversprödung
2.3 Wasserstoffaufnahme bei kathodischer Polarisation
2.3.1 Volmer-Tafel-Mechanismus
2.3.2 Volmer-Heyrowsky-Mechanismus
2.3.3 Absorptionsmechanismus
2.3.4 Oberflächeneffekte an unbeschichteten Stahlmembranen
2.4 Wasserstofftransport in Eisen und Stahl
2.4.1 Löslichkeit
2.4.2 Diffusivität
2.5 Mechanismen der Wasserstoffversprödung
2.6 Bruchmechanische Grundlagen und Bezeichnungen
2.7 Dehnratenabhängigkeit von CTOD-R-Kurven unter Wasserstoffbeladung
3 Aufgabenstellung
4 Eingesetzte Methoden
4.1 Experimentelle Techniken
4.1.1 Elektrochemische Diffusionsmessungen
4.1.2 Werkstoff
4.1.3 Probenfertigung
4.1.3.1 Bleche
4.1.3.2 Flachzugproben
4.1.3.3 C(T)-Proben
4.1.4 Apparativer Aufbau
4.1.4.1 Elektrochemische Zelle
4.1.4.2 Elektrische Schaltung und Messdatenerfassung
4.1.5 Testmedium
4.1.6 Promotoren
4.1.7 Versuchsdurchführung
4.1.7.1 Permeation an Blechen und Flachzugproben
4.1.7.2 Permeation an C(T)-Proben
4.1.8 Deckschichtuntersuchungen
4.1.8.1 Grundlagen
4.1.8.2 Durchführung
4.2 Numerische Methoden
4.2.1 Bestimmung des effektiven Diffusionskoeffizienten
4.2.1 Simulation der Wasserstoffdiffusion in Gegenwart von Fallen
5 Versuchsergebnisse
5.1 Untersuchungen zur Wasserstoffdiffusion in FeE 690T
5.1.1 Bestimmung des Diffusionskoeffizienten bei εpl = 0
5.1.2 Diffusion bei plastischer Verformung (εpl bis 60 %)
5.1.2.1 Erstbeladung
5.1.2.2 Zweitbeladung
5.1.3 Diffusion in gekerbten C(T)-Proben
5.1.4 Simulation der Permeationsergebnisse
5.2 Ergänzende Untersuchungen zur Wasserstoffaufnahme bei Deckschichtbildung von FeE 690T in alkalischen Medien
5.2.1 Deckschichtbildung in 0.1 M NaOH
5.2.2 Einfluss von Deckschichten auf den Wasserstofftransport
5.2.3 Deckschichtbildung in 0.1 M NaOH nach kathodischer Polarisation
6 Diskussion der Ergebnisse
6.1 Wasserstofftransport in FeE 690T
6.1.1 Diffusion im unverformten Zustand
6.1.2 Wasserstoffdiffusion im plastisch verformten Werkstoff
6.1.3 Verhältnis von Gitter- zu Fallenwasserstoff im verformten Werkstoff
6.1.4 Zusammenhang zwischen Wasserstofftransport und Risszähigkeit
6.2 Wasserstoffeintritt während kathodischer Polarisation in alkalischen Medien
6.2.1 Deckschichtbildung ohne Polarisation
6.2.2 Deckschichtbildung bei Unterbrechung der Polarisation
6.2.3 Deckschichtbildung bei langanhaltender Wasserstoffabscheidung
6.2.4 Bedeutung der Deckschichtbildung für die Anwendung der Permeationsmethode zur Untersuchung von Transportphänomenen
Zielsetzung und Forschungsgegenstand
Die vorliegende Arbeit untersucht das Diffusionsverhalten von Wasserstoff in einem niedriglegierten Baustahl (FeE 690T) unter besonderer Berücksichtigung des Einflusses von plastischer Verformung sowie der Deckschichtbildung in alkalischen Medien. Ziel ist es, den Wasserstofftransport im Werkstoff quantitativ zu erfassen und die Wechselwirkungen zwischen Mikrostruktur, Diffusionsgeschwindigkeit und Wasserstoffaufnahme aufzuklären, um daraus Rückschlüsse für bruchmechanische Prüfverfahren zur Bestimmung der Wasserstoffversprödungsanfälligkeit zu ziehen.
- Analyse des Einflusses plastischer Verformung auf den effektiven Diffusionskoeffizienten.
- Numerische Modellierung des Wasserstofftransports unter Berücksichtigung von Fallen (Versetzungen).
- Charakterisierung der Deckschichtbildung in alkalischen Medien mittels Cyclovoltammetrie.
- Evaluierung der Eignung elektrochemischer Permeationsmessungen für bruchmechanische Tests.
Auszug aus dem Buch
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich in erster Linie mit der Untersuchung des Wasserstofftransports in einem niedriglegierten Stahl bei großer plastischer Verformung mit Hilfe der elektrochemischen Permeationsmethode nach Devanthan und Stachursky [3].
Anhand der experimentellen Daten wird ein Modell entwickelt, mit dessen Hilfe der Wasserstofftransport in Gegenwart von Versetzungen erklärt werden kann. Damit verbunden ist die Messung der Wasserstoffdiffusion in der experimentell schwer zugänglichen plastischen Zone vor einem Kerb mit Hilfe von speziell präparierten Proben.
Im zweiten Teil der Arbeit werden mit Hilfe cyclovoltammetrischer Methoden die bei Permeationsmessungen in alkalischen Medien entstehenden Deckschichten und deren Einfluss auf die Wasserstoffabsorption und -diffusion näher untersucht. Abschließend wird die Möglichkeit einer Einbeziehung elektrochemischer Permeationsmessungen im Rahmen von bruchmechanischen Tests zur Bestimmung der Anfälligkeit von Stählen gegenüber Wasserstoffversprödung diskutiert.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Die Einleitung beleuchtet die Relevanz der Wasserstoffversprödung als Schadensursache in hochfesten Stählen und definiert die Notwendigkeit der Untersuchung von Transportvorgängen vor Rissspitzen.
2 Grundlagen der Wasserstoffversprödung von Eisen und niedriglegierten Stählen: Dieses Kapitel erläutert die theoretischen Konzepte von Wasserstoffaufnahme, Gitterdiffusion und Wasserstofffallen sowie die gängigen bruchmechanischen Modelle zur Spannungsrisskorrosion.
3 Aufgabenstellung: Hier werden basierend auf der Problematik der Dehnratenabhängigkeit die konkreten wissenschaftlichen Fragestellungen der Arbeit zur Bestimmung der Fallendichte und der Deckschichteinflüsse abgeleitet.
4 Eingesetzte Methoden: Dieses Kapitel beschreibt die experimentelle Apparatur, die Probenpräparation der verschiedenen Stahlproben sowie die angewandten elektrochemischen und numerischen Mess- und Auswerteverfahren.
5 Versuchsergebnisse: Die Ergebnisse der Diffusionsmessungen unter verschiedenen Verformungsgraden und in alkalischen Medien werden präsentiert, ergänzt durch Daten zur Deckschichtcharakterisierung.
6 Diskussion der Ergebnisse: Die Befunde zum Wasserstofftransport werden physikalisch interpretiert und in den Kontext der Risszähigkeit gesetzt; zudem werden die Auswirkungen von Passivschichten auf die Messgenauigkeit kritisch erörtert.
Schlüsselwörter
Wasserstoffversprödung, FeE 690T, Diffusionskoeffizient, plastische Verformung, Wasserstofffallen, elektrochemische Permeation, Deckschichtbildung, Cyclovoltammetrie, Spannungsrisskorrosion, Rissspitze, Versetzungen, Wasserstoffaufnahme, Gitterdiffusion, Bruchmechanik, Passivschichten
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Dissertation untersucht das Diffusionsverhalten von Wasserstoff in niedriglegierten Stählen (FeE 690T) und wie dieses durch plastische Verformung sowie oberflächenchemische Reaktionen in alkalischen Medien beeinflusst wird.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die Schwerpunkte liegen auf der Wasserstoffdiffusion, dem Einfluss von Versetzungen als Wasserstofffallen, der elektrochemischen Permeationsanalyse und der Charakterisierung von Passivschichten auf Metalloberflächen.
Was ist das primäre Ziel der Forschung?
Das Hauptziel ist es, ein besseres Verständnis des Wasserstofftransports im verformten Werkstoff zu erlangen, um die Anfälligkeit gegenüber wasserstoffinduzierter Spannungsrisskorrosion präziser beurteilen zu können.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es werden elektrochemische Permeationsmessungen (nach Devanathan und Stachursky) sowie die Cyclovoltammetrie eingesetzt. Zudem kommen numerische Modellrechnungen basierend auf den Fickschen Gesetzen zur Anwendung.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil befasst sich detailliert mit den experimentellen Ergebnissen zu unterschiedlich stark verformten Proben, der Simulation des Diffusionsverhaltens in Gegenwart von Fallen und der Untersuchung der Deckschichtbildung in NaOH-Lösungen.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind Wasserstoffversprödung, FeE 690T, plastische Verformung, Diffusionskoeffizient, Wasserstofffallen und elektrochemische Permeationsmessung.
Warum ist die Verformung des Stahls für die Diffusion relevant?
Plastische Verformung erzeugt zusätzliche Fehlstellen wie Stufenversetzungen, die als Wasserstofffallen fungieren, die Beweglichkeit der Wasserstoffatome verringern und somit den effektiven Diffusionskoeffizienten drastisch senken.
Welchen Einfluss haben Deckschichten auf die Messergebnisse?
Deckschichten, die sich in alkalischen Medien bilden, wirken als Barriere für den Wasserstoffeintritt. Dies verlangsamt die Absorption und kann Messergebnisse beeinflussen, weshalb deren Berücksichtigung für eine korrekte Interpretation der Daten essenziell ist.
- Quote paper
- Guido Juilfs (Author), 2000, Das Diffusionsverhalten von Wasserstoff in einem niedriglegierten Stahl unter Berücksichtigung des Verformungsgrades, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/5081
