Brilz, Michael (2023)
Zur Bruchmechanik der wasserstoffassistierten Rissbildung in hochfesten Stählen.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00026350
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Bei standardisierten bruchmechanischen Prüfverfahren werden in der Regel Kompaktzugproben verwendet, die aufwendig und kostspielig in der Fertigung sind und aufgrund der geometrischen Anforderungen nicht aus jedem Bauteil der industriellen Serienfertigung hergestellt werden können. Für die Prüfung der bruchmechanischen Eigenschaften der meisten Schrauben und Bolzen sind die standardisierten Kompaktzugproben ungeeignet, weshalb als Alternative der Einsatz umlaufend gekerbter Rundzugproben (CNT-Proben) erforscht wird. Die wesentliche Problematik beim Einsatz von CNT-Proben liegt in der kontrollierten Initiierung eines umlaufenden Ermüdungsanrisses im Kerbgrund. Dabei führt die mechanische Wechselbeanspruchung oft zu exzentrischen Rissen mit einer umfänglich ungleichmäßigen radialen Risslänge. Diese Exzentrizität des umlaufenden Risses ist insbesondere bei der Bestimmung der Schwellenwertspannungsintensität der Wasserstoffversprödung relevant, da das Potenzial für ein unterkritisches wasserstoffassistiertes Risswachstum von der radialen Risslänge abhängt und, im Falle eines exzentrischen Ermüdungsanrisses, um den gesamten Umfang der Rissspitze unterschiedlich ist. Mit dem Vorspannkraft-Verlust-Test (VVT) wird in dieser Arbeit ein neues Prüfverfahren zur Bewertung der Anfälligkeit von CNT-Proben aus hochfestem Stahl gegenüber einer Wasserstoffversprödung entwickelt, das ohne die Initiierung eines Ermüdungsanrisses auskommt. Stattdessen wird beim VVT eine wasserstoffassistierte Rissinitiierung vorgenommen, bei der die gleichmäßige, umlaufende und konzentrische Ausbildung des initiierten Risses mithilfe der Wasserstoffeindringtiefe und der anfänglichen Vorspannkraft kontrolliert wird. Neben dieser vorteilhaften Rissgeometrie hat der VVT den großen Vorteil einer sehr einfachen experimentellen Durchführung sowie den Vorteil eines definierten mit Wasserstoff beladenen Ausgangszustandes der Rissinitiie-rung, der die Ableitung zahlreicher Zusammenhänge erlaubt, mit denen die Werkstoffanfälligkeit gegenüber einer Wasserstoffversprödung bewertet und verstanden werden kann. Die experimentelle Durchführung des VVT umfasst die Beladung der CNT-Proben mit Wasserstoff, die anschließende Verspannung der vorab mit Wasserstoff beladenen CNT-Proben bei einer konstanten Auslenkung, die iterative Bestimmung eines Schwellenwertes der ertragbaren Last und die rasterelektronenmikroskopische Bruchflächenuntersuchung, inklusive der Vermessung der radialen Risslänge. Zur Auswertung der so erzielten Ergebnisse wird in dieser Arbeit der definierte mit Wasserstoff beladene Randzustand ausgenutzt, um eine Theorie der wasserstoffassistierten Rissbildung (HAC) in Abhängigkeit von der Wasserstoffeindringtiefe zu entwickeln. Die Theorie basiert auf dem Sprödbruchkriterium nach Griffith sowie auf einer Abschätzung der Wasserstoffeindringtiefe mithilfe des Wasserstoffdiffusionskoeffizienten und der Wasserstoffbeladungsdauer. Durch die Anwendung der hergeleiteten Theorie auf die experimentellen Ergebnisse des VVT können die Schwellenwertspannungsintensität, die Bruchzähigkeit und der Wasserstoffdiffusionskoeffizient der CNT-Proben bestimmt werden. Weiterhin besteht die Möglichkeit zur Auswertung der experimentellen Ergebnisse hinsichtlich der momentanen Risswachstumsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der momentanen Spannungsintensität. Diese Vielzahl an be-stimmbaren Kennwerten und Abhängigkeiten ermöglicht eine umfassende Bewertung der CNT-Proben hinsichtlich ihrer Anfälligkeit gegenüber einer Wasserstoffversprödung. In dieser Arbeit werden 5 verschiedene CNT-Probentypen mithilfe des VVT und der hergeleiteten Theorie untersucht. Die Probentypen unterscheiden sich in der Geometrie der umlaufenden Kerbe, der chemischen Zusammensetzung des Stahls und der Festigkeitsklasse. Das Hauptaugenmerk der durchgeführten Untersuchungen liegt im Aufzeigen der Anwendbarkeit sowie der Anwendbarkeitsgrenzen des VVT. Weiterhin wird mit den Untersuchungen die gute Übereinstimmung der hergeleiteten Theorie mit den experimentell erzielten Befunden dargelegt. Aufgrund dieser Übereinstimmung ist der VVT eine vielversprechende Methode, welche die Anwendung von CNT-Proben zur Bewertung der wasserstoffinduzierten Sprödbruchanfälligkeit hochfester Stähle ermöglicht und somit die zahlreichen Vorteile dieser Probengeometrie zugänglich macht.

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