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Iestyn Hartbrich, Spröder Charme in:

VDI nachrichten, page 22 - 22

VDI nachrichten, Volume 75 (2021), Issue 04, ISSN: 0042-1758, ISSN online: 0042-1758, https://doi.org/10.51202/0042-1758-2021-04-22

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VDI Verlag, Düsseldorf
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22 FOKUS: WASSERSTOFF 29. Januar 2021 · Nr. 4 Spröder Charme von Iestyn Hartbrich E s gibt Eigenschaften des Wasserstoffs, die lassen sich nur auf Atomebene untersuchen, mit einem speziellen Maschinentypen, von dem es auf der Welt nur wenige Exemplare gibt. Atomsonde heißt die Maschine und eine steht in Düsseldorf beim Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE). Hier werden winzige, nadelförmige Proben unter Spannung gesetzt, sodass schichtweise einzelne Atome ionisiert und abgesprengt werden. Die Ionen werden auf einem Detektor aufgefangen. Der Trick: Die Flugdauer ist proportional zur Masse des Ions, so lässt sich berechnen, welches Atom sich an welcher Stelle im Gitter befand. Der Computer berechnet ein 3-D-Abbild der Probe, Atom für Atom. Die Forschenden um Gruppenleiter Baptiste Gault untersuchen hier, was Wasserstoff mit Eisenwerkstoffen anstellt: Sie sind der Wasserstoffversprödung auf der Spur. Diese Grundlagenforschung des MPIE könnte die Wasserstoffwirtschaft vor den ärgsten Fehlern bewahren und womöglich Strategien gegen den Wasserstoff angriff liefern. Je mehr Wasserstoff durch die Gasnetze transportiert, in Brennkammern verbrannt und in Brennstoffzellen zu Wasser umgesetzt wird, desto relevanter wird das Problem. „Wenn wir Wasserstoff im Flugzeug nutzen wollen, im Auto und im Stahlwerk, dann kommen nahezu alle in der Industrie verwendeten Komponenten damit in Kontakt: Rohre, Tanks, Elektroden, Turbinen, Ventile“, warnt Gault. Wasserstoff – H, nicht H2 – ist das kleinste und leichteste Atom. Gelangt er ins Metallgitter, gibt er sein Elektron an das metall-typische Elektronengas ab und kann sich als Proton zügig bewegen. Trotz jahrzehntelanger Forschung ist nur grob bekannt, was genau im Gitter passiert. „Wir wissen in vielen Fällen nicht, wohin der Wasserstoff wandert“, sagt Gault. Bekannt ist: Wasserstoffatome haben bevorzugte Regionen im Metallgitter. Sie befallen erstens bestimmte Phasen – Bereiche mit annähernd homogenen Materialeigenschaften – und verschmähen andere. Zweitens setzen sie sich häufig an Phasengrenzen fest und drittens in der Nachbarschaft von Defekten, an Versetzungen zum Beispiel. Werkstoffe: Wasserstoffatome beschleunigen in vielen Materialien Versagensmechanismen. Aber warum eigentlich? Eine kleine Werkstoffkunde. Es gibt nicht den einen Versagensmechanismus durch Wasserstoff, sondern eine Vielzahl von Prozessen. Manche sind exotisch, zum Beispiel können sich Wasserstoff atome zu H2-Molekülen rekombinieren und im Werkstoff Blasen bilden. Wenn von Wasserstoffversprödung die Rede ist, ist ein konkreter – und gefürchteter – Mechanismus gemeint. Die H-Atome nehmen, weil sie so klein sind, Zwischengitterplätze ein. Wenn sie sich lokal aufkonzentrieren, stören sie die metallische Bindung der Atome und sorgen – im wissenschaftlichen Jargon – für Dekohäsion: Die Metall atome sind voneinander abgeschattet und verlieren den Kontakt. „Wie bei einer Mondfinsternis“, sagt Michael Pohl, Professor für Werkstoffprüfung an der Ruhr-Universität Bochum. „Ein Riss entsteht und wächst explosionsartig.“ Die Rissfront breitet sich mit Geschwindigkeiten bis 6000 m/s aus. Spontanes Versagen ist die Folge. Wasserstoffatome können sich am besten in Bereichen mit hoher lokaler Dehnung aufkonzentrieren, zum Beispiel an Rissspitzen. Sie verstärken also die Wirkung von Schwachstellen, die sich ohnehin im Werkstoff befinden. Um die kritische Dehnung überhaupt erreichen zu können, muss der Stahl allerdings eine hohe Festigkeit haben. Deshalb vollzieht sich der Mechanismus nur in Stählen mit Festigkeiten oberhalb von 800 MPa. „Darunter verformt sich das Metallgitter statt sich zu spalten“, sagt Pohl. Zum Verständnis eine kleine Werkstoffkunde: Viele Konstruktionswerkstoffe, darunter auch Stähle, lassen sich in einem gewissen Bereich elastisch verformen, kehren also bei Entspannung in den Ausgangszustand zurück. Wird eine kritische Belastung überschritten, verformt sich das Bauteil plastisch bis es durch Überlastung bricht. Die Eigenschaft, sich vor dem Bruch plastisch zu verformen, kennzeichnet duktile Werkstoffe und grenzt sie von spröden ab, welche ohne erkennbare Verformung brechen. Der Einfluss des Wassers wird Versprödung genannt, weil duktile Werkstoffe Knall auf Fall, also spröde, brechen. Zusätzlich läuft ein zweiter Mechanismus ab, der Werkstoffe vorzeitig verspröden lässt. Mikromechanisch bewegen sich während der plastischen Verformung Versetzungen – Unregelmäßigkeiten im Gitter – durch das Bauteil. Im Kristallgitter dern stark temperaturabhängig. „Es hilft nicht weiter, ein Material zu finden, das Wasserstoff bei hohen Temperaturen widersteht, nur um dann bei niedrigen Temperaturen in die Knie zu gehen“, sagt der Werkstoffwissenschaftler Gault. Der Grund für die Temperaturabhängigkeit liegt beim Eisen in der Phasenumwandlung vom kubisch raumzentrierten (Ferrit) zum flächenzentrierten (Austenit) Kristallsystem. Durchläuft der Werkstoff einen Temperaturzyklus, entstehen unweigerlich zwei Phasen. Austenit liegt bei höheren Temperaturen vor und kann mehr Wasserstoff aufnehmen. Bei der Abkühlung wird Wasserstoff freigesetzt, das sich an den Phasengrenzen anreichern kann. Die Strategien gegen Wasserstoffschädigungen sind divers. Die einfachste ist die Beschichtung. Allerdings ist dieses Verfahren nicht immer praktikabel. Zum Beispiel wäre es extrem teuer und aufwendig, sämtliche Gasleitungen im Boden nachträglich zu beschichten. In den Elektroden der Elektro lyseure verbieten sich Beschichtungen sogar: Hier ist die aktive Oberfläche gerade entscheidend. Eine trickreichere Lösung sind neue Werkstoffe. Forschende wie der indisch-britische Metallurge Harry Bhadeshia wollen dem Wasserstoff eine Falle stellen. Mithilfe bewusst eingebrachter Phasen soll gesteuert werden, wohin die H-Atome wandern. Idealerweise dahin, wo sie keinen Schaden anrichten. Auch diese Idee hat Schwächen. Erstens bestehen die Wasserstoffsenken oft aus teuren und seltenen Metallen: Sie sind unter kommerziellen Bedingungen massenuntauglich. Zweitens bedeuten zusätzliche Phasen auch eine Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften. Drittens sind auch die Senken nicht in der Lage, unendlich viel Wasserstoff aufzunehmen. Sie können die Versprödung nicht verhindern, nur verlangsamen. Atomsonde: Was Wasserstoff im Stahl anrichtet, ist nicht vollständig bekannt. Düsseldorfer Forschende untersuchen, an welchen Stellen im Kristall sich H-Atome ansiedeln. Foto: B. Gault/MPIE bildet sich rund um diese Versetzungen ein lokales Spannungsfeld aus, das Bewegung unterdrückt. H-Atome können – so die Theorie – die Spannungsfelder schwächen und den inneren Widerstand des Werkstoffs gegen die Versetzungsbewegung brechen. Sie beschleunigen die Plastifizierung im Metall. Wasserstoffatome setzen sich an Defekten fest; durch ein makelloses Kristallgitter würden sie einfach hindurchwandern. Die Lösung des Problems kann trotzdem nicht darin bestehen, dem Wasserstoff von vornherein keine Angriffsmöglichkeit zu geben. Selbst wenn das theoretisch möglich wäre, wäre es praktisch in vielen Fällen unerwünscht. Viele Bauteile werden durch plastische Verformung in ihre endgültige Gestalt gebracht und erhalten nur so ihre Festigkeit. Klassische Beispiele sind die B-Säule und Teile der Karosserie im Automobil. Der Trend geht sogar eher in die andere Richtung. Stähle sind immer häufiger aufwendig durchdesignt, mit einer Vielzahl verschiedener Phasen und damit Phasengrenzen. Als Faustregel gilt: Je komplizierter der Stahl, desto anfälliger ist er gegenüber Wasserstoff. Zudem ist die Wasserstoffversprödung kein statisches Problem, son- Korngrenzen trennen zwei Bereiche mit ähnlicher Kristallstruktur, aber unterschiedlicher Orientierung. Sie bilden Angriffsflächen für Wasserstoffatome. Foto: mauritius images / Reading Room 2020 / Alamy PantherMedia / bobyramone

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