Micromechanical simulation of fatigue crack initiation under hydrogen influence

Abstract

Die Entwicklung von Komponenten für Anwendungen in der Brennstoffzellentechnologie, die in Kontakt mit Druckwasserstoff stehen, stellt hohe Anforderungen an Sicherheit und Zuverlässigkeit. Bei dem Einsatz von Bauteilen in Wasserstoffgasatmosphäre muss der schädigende Effekt von Wasserstoff auf metallische Werkstoffe berücksichtigt werden. Die sehr kleinen Wasserstoffatome ermöglichen eine Diffusion des Gases in das Metall und sammeln sich lokal an, wobei sie mechanische Eigenschaften und das Materialverhalten ändern können. Experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, dass Wasserstoff die Ermüdungslebensdauer einiger Stähle reduziert. Mit dem Ziel zuverlässige, sichere und wirtschaftliche Bauteile für das Brennstoffzellensystem zu garantieren, wurde ein Modell entwickelt, um die Lebensdauer von Stählen unter Wasserstoffatmosphäre vorherzusagen. Unter Berücksichtigung der Mikrostruktur des untersuchten Stahles, kann das Simulationsmodell lokale Wasserstoffkonzentrationen sowie die Verteilung des Wasserstoffs bedingt durch die Wechselwirkung mit der Mikrostruktur berechnen. Die Formulierung basiert auf einem gekoppelten Finite-Elemente Modell, welches den Wasserstofftransport und große elastoplastische Deformationen auf Mikrostrukturebene beschreibt. Dazu wird ein phänomenologisches anisotropes Kristallplastizitätsmodell verwendet, das plastische Deformation als Gleiten auf definierten Gleitsystemen beschreibt. In dieser Arbeit wird beispielhaft der ferritische Stahl 1.4003 untersucht, der für Komponenten der Brennstoffzelle verwendet werden könnte. Mikrostrukturuntersuchungen liefern Informationen wie beispielsweise die Kristallstruktur und die Kornorientierung des Stahls. Diese Informationen werden verwendet um repräsentative Gebiete zu erzeugen, auf denen die Simulationen gerechnet werden. Materialparameter werden mit Hilfe von Ermüdungsexperimenten bestimmt, die anschließend auch zur Validierung des Modells verwendet werden. Es wird eine Vorgehensweise entwickelt, um die Ermüdungslebensdauer des Materials aus mikromechanischen Spannungs- und Dehnungsgrößen abzuleiten, die mittels der Finite-Elemente Simulation bestimmt werden. Dieser Ansatz basiert auf der Idee von Ermüdungsindikatoren. Einige Forschungsgruppen konnten mit dieser Methode unter Verwendung mikromechanischer Simulationen die Ermüdungslebensdauer an Luft erfolgreich vorhersagen. In dieser Arbeit wird eine Modifikation eines Ermüdungsindikators vorgeschlagen, die die lokale getrappte Wasserstoffkonzentration berücksichtigt. Der daraus resultierende erhöhte Anteil lokaler akkumulierter plastischen Dehnung verursacht ein frühzeitiges Versagen des Materials. Ein Vergleich mit Daten aus Ermüdungsexperimenten validiert das Modell hinsichtlich der Vorhersagegüte der Ermüdungslebensdauer des untersuchten Materials in Luft- wie in Wasserstoffatmosphäre. Mittels numerischer Studien wird die Sensitivität des Modells bezüglich Materialparameter untersucht und der Einfluss der Mikrostruktur auf die Wasserstoffdiffusion und Anhäufung betrachtet. Der hier vorgestellte Ansatz verbessert das physikalische Verständnis für das mikrostrukturabhängige Ermüdungsverhalten unter Wasserstoffatmosphäre und stellt ein zentrales Element für eine zuverlässige Bauteilauslegung für industrielle Anwendungen.