Untersuchung der Auswirkungen von Hochdruckwasserstoff auf die mechanischen Eigenschaften austenitischer Stähle

Abstract

Austenitische Stähle werden häufig als geeignet für den Einsatz in Wasserstoffatmosphäre angesehen. Je nach Zusammensetzung und Einsatzbedingungen können sich jedoch Auswirkungen von Wasserstoff auf die mechanischen Eigenschaften ergeben. In dieser Arbeit werden diese im Hinblick auf die austenitischen Stähle AISI 316L und AISI 304L untersucht. Hierbei erfolgt ein Vergleich unterschiedlicher Verfahren mit Fokus auf der Verwendung von Hohlzugproben. Im Hinblick auf den Werkstoff AISI 316L zeigt sich grundsätzlich eine Verringerung der Duktilität unter dem Einfluss von Wasserstoff. Diese ist für den kaltgezogenen Zustand etwas geringer ausgeprägt als nach dem Lösungsglühen. Für Proben aus additiv gefertigtem AISI 316L zeigt sich zunächst eine ähnliche Degradation durch Wasserstoff. Erfolgt keine mechanische Nachbearbeitung der mit Wasserstoff in Kontakt stehenden Oberfläche, zeigen additiv gefertigte Proben unter den hier eingesetzten Prüfparametern hingegen eine geringere Empfindlichkeit gegenüber Wasserstoff. Versuche an Proben aus kaltgezogenem AISI 304L zeigen erwartungsgemäß eine höhere Empfindlichkeit gegenüber Wasserstoff. Als ein wichtiger Einflussfaktor bei der Rissbildung kann die Transformation zu Martensit gesehen werden, welche verstärkt im Bereich von Rissen auftritt. Zusätzlich korreliert die Martensitbildung mit der Dehnrate. Wasserstoff führt dagegen in den in dieser Arbeit durchgeführten Versuchen insgesamt zu einem geringeren Martensitanteil. Gleichzeitig bilden sich unter Wasserstoff jedoch vermehrt Nebenrisse, an welchen wiederum eine lokal verstärkte Martensittransformation festzustellen ist. Der Vergleich der Prüfverfahren und Prüfparameter zeigt klare Unterschiede zwischen ex-situ-Versuchen an Proben, welche mit welche mit Wasserstoff vorbeladen wurden, und in-situ-Versuchen mit Hohlzugproben. So führt unter den hier geprüften Bedingungen die Vorbeladung zu einer leicht erhöhten Festigkeit, während der Einfluss auf die Duktilität geringer ausgeprägt ist als bei in-situ-Versuchen. Zusätzlich zeigt sich, dass die Art der Wasserstoffbeladung eine wichtige Rolle in Bezug auf die Wasserstoffkonzentration und -verteilung spielt. In Bezug auf die Prüfgeschwindigkeit zeigt sich bei in-situ-Versuchen eine Tendenz zu geringeren Auswirkungen des Wasserstoffs auf die Duktilität bei höheren Dehnraten. Bei vorbeladenen Proben deuten die Ergebnisse hingegen auf einen maximalen Effekt im Bereich einer Dehnrate von 10-4 s-1 hin. Ein Einfluss unterschiedlicher Fertigungsverfahren der Innenoberfläche lässt sich – mit Ausnahme der endkonturnahen additiven Fertigung – weder ausschließen noch klar belegen. In Referenzversuchen bis 1000 bar zeigt sich ein zunehmender Einfluss der aus dem Druck resultierenden mechanischen Beanspruchung. Diese wirkt sich unter anderem in Form einer verringerten Verlängerung bei Bruch und verringerten Abnahme des Innendurchmessers aus. In Versuchen mit Wasserstoff zeigt sich eine mit dem Druck zunehmende Degradation der mechanischen Eigenschaften.

Austenitic steels are often considered suitable for use in hydrogen atmospheres. However, depending on their composition and conditions of use, hydrogen can affect their mechanical properties. This thesis examines the effects of hydrogen on austenitic steels AISI 316L and AISI 304L. It compares different methods, focusing on the use of hollow tensile specimens. With regard to the material AISI 316L, there is a general reduction in ductility under the influence of hydrogen. This is slightly less pronounced in the cold-drawn state than after solution annealing. For specimens made from additively manufactured AISI 316L, a similar degradation due to hydrogen is initially observed. However, if the surface in contact with hydrogen is not machined, additively manufactured specimens show lower sensitivity to hydrogen under the test parameters used here. As expected, tests on specimens made from cold-drawn AISI 304L show higher sensitivity to hydrogen. The transformation to martensite, which occurs more frequently in the area of cracks, can be seen as an important influencing factor in crack formation. In addition, martensite formation correlates with the strain rate. In contrast, testing with hydrogen leads to an overall lower martensite content in the experiments conducted in this work. At the same time, hydrogen causes an increase in secondary cracks, in which a locally enhanced martensite transformation can be observed. A comparison of the test methods and test parameters reveals clear differences between ex-situ tests on specimens pre-charged with hydrogen and in-situ tests with hollow tensile specimens. Under the conditions tested here, pre-charging leads to a slight increase in strength, while the influence on ductility is less pronounced than in in-situ tests. Furthermore, this study shows that the type of hydrogen charging plays an important role in terms of hydrogen concentration and distribution. With regard to the test speed, in-situ tests show a tendency for hydrogen to have less of an effect on ductility at higher strain rates. In pre-charged specimens, however, the results indicate a maximum effect in the range of a strain rate of 10-4 s-1. With the exception of the near-net-shape specimens, the influence of different manufacturing processes on the inner surface can neither be ruled out nor clearly determined. Reference tests up to 1000 bar show an increasing influence of the mechanical stress resulting from the pressure. Among other things, this manifests itself in the form of reduced elongation at fracture and reduced reduction in the inner diameter. Tests with hydrogen show a degradation of the mechanical properties that increases with pressure.