Risse in Stählen durch Wasserstoff stoppen

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Wie die Wasserstoff-induzierte Risse in Stählen gestoppt werden können untersucht ein Wissenschaftsteam des Max-Plank-Institut für Eisenforschung. Dabei fokussieren sie sich auf hochfest Legierungen.

Für die klimafreundliche Wirtschaft wird Wasserstoff als nachhaltiger Energieträger immer wichtiger. Für hochfeste Stähle ist er ein Ärgernis, denn Wasserstoffversprödung von hochfesten Legierungen bereitet Experten Kopfzerbrechen. Hochfeste Legierungen kommen in der Automobil- und Luftfahrtindustrie sowie auch bei Bauteilen, die zur Speicherung und zum Transport von Wasserstoff eingesetzt werden, zum Einsatz.

Wissenschaftler*innen des Max-Planck-Instituts für Eisenforschung (MPIE) und von der Tsinghua University China und der Norwegian University of Science and Technology haben einen Weg gefunden, wasserstoffinduzierte Risse in hochfesten Stählen zu stoppen. Das Forscherteam veröffentlichte seine Ergebnisse in der Fachzeitschrift „Nature Materials“.

Widerstandsfähigkeit von hochfesten Stählen gegen Wasserstoff

„Stähle machen 90 % des weltweiten Marktes für Metalllegierungen aus und hochfeste Stähle können besonders anfällig für Wasserstoffversprödung sein. Deshalb war es unser Ziel, eine kostengünstige, skalierbare Strategie zu finden, um hochfeste Stähle unter Beibehaltung ihrer mechanischen Leistungsfähigkeit widerstandsfähiger gegen Wasserstoff zu machen.“, erklärt Dr. Binhan Sun, Postdoktorand, Themenleiter für Wasserstoffversprödung in Hochleistungslegierungen am MPIE und Erstautor der Publikation.

Die Forschenden implementierten manganreiche Bereiche in die Mikrostruktur des Stahls, um Risse abzustumpfen und Wasserstoff darin einzufangen und so die Rissausbreitung zu stoppen. „Wir haben unsere Methode mit hochfesten Manganstählen getestet, in denen wir eine extrem hohe Anzahldichte von manganreichen Pufferzonen erzeugt haben. Diese Pufferzonen stellen Sackgassen für Risse dar, indem sie scharfe Risse abstumpfen. Dadurch wird der Stahl doppelt so widerstandsfähig gegen Wasserstoff wie herkömmliche chemisch homogene Stähle, unabhängig davon, wann und wie Wasserstoff in das Material eingedrungen ist“, sagt Dr. Dirk Ponge, Leiter der MPIE-Gruppe „Mechanism-based Alloy Design“, der das Forschungsprojekt betreut.

Diese Methode kann auf mehr als zehn etablierte Stahlsorten angewendet werden. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sehen auch Möglichkeiten für andere Legierungssysteme, wie beispielsweise mehrphasige Titanlegierungen, die fest, duktil und wasserstoffbeständig sein sollen. Zunächst will das Forschungsteam aber Methoden finden, um Pufferzonen mit chemischer Heterogenität innerhalb des Gefüges präzise zu erzeugen. Diese könnten die Rissbeständigkeit noch mehr verstärken und besser zu etablierten industriellen Verarbeitungen passen.

Mehr Informationen dazu:

https://www.mpie.de/4581011/dead-ends-for-hydrogen-induced-cracks