Investigation of hydrogen embrittlement in a high manganese twinning induced plasticity steel : a correlative electron microscopy and atom probe tomography study

Khanchandani, Heena; Raabe, Dierk (Thesis advisor); Münstermann, Sebastian (Thesis advisor); Gault, Baptiste (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2022)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022

Kurzfassung

Viele Länder, darunter die Vereinigten Staaten Amerikas und einige europäische Länder, haben es sich zur Aufgabe gemacht, bis 2050 Netto-Null-CO2-Emissionen zu erreichen [1]. Um dieses Ziel zu erreichen wird derzeit daran gearbeitet, eine wasserstoffbasierte Energieversorgungs- und Verbrauchskette zu entwickeln, um die CO2-Emissionen zu minimieren und gleichzeitig den Bedürfnissen moderner Industriegesellschaften gerecht zu werden. Dazu müssen Materialien entwickelt werden, die für die Erzeugung, Speicherung und den Transport von Wasserstoff verwendet werden können. Die meisten hochfesten metallischen Werkstoffe neigen allerdings zur Wasserstoffversprödung, die verhindert werden muss. Wasserstoffversprödung kann zu einer dramatischen Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften hochfester Metalle führen. Das Eindringen von Wasserstoff in metallische Systeme kann zu vorzeitigen katastrophalen Ausfällen vieler Strukturbauteile führen [2-5]. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, die Auswirkungen von Wasserstoff auf einzelne Materialsysteme zu verstehen. Trotz jahrzehntelanger experimenteller und modellierender Forschung sind die genauen zugrundeliegenden Mechanismen hinter der Wasserstoffversprödung bislang nicht ausreichend bekannt. Zwillingsinduzierte Plastizitätsstähle (TWIP) sind vielversprechende Strukturmaterialien, die potenziell für die Speicherung und den Transport von Wasserstoff verwendet werden können [6]. TWIP-Stähle gehören zu einer Klasse von Hochmanganstählen mit einem Mangangehalt von mehr als 20 Gewichtsprozent [7]. Sie sind austenitisch mit kubisch flächenzentrierter Kristallstruktur. Allerdings neigen TWIP-Stähle zur Wasserstoffversprödung [8]. In der Literatur wurden zahlreiche Mechanismen vorgeschlagen, um die Anfälligkeit von TWIP-Stählen für Wasserstoffversprödung zu erklären. Dazu gehört unter anderem der Einfluss von Wasserstoff auf die Stapelfehlerenergie, die Phasenstabilität und das Diffusionsvermögen des Materials [4]. In dieser Arbeit wurde der Mechanismus der Wasserstoffversprödung in einer Modell-TWIP-Stahllegierung der Zusammensetzung Fe 28Mn 0,3C (Gew.-%) unter Verwendung eines Mehrskalenansatzes untersucht. Mittels Zugversuchen wurden die mechanischen Eigenschaften von Proben mit und ohne Wasserstoffbeladung ermittelt. Dabei wurde die Wasserstoffbeladung durch kathodische Aufladung erreicht. Die nach Zugverformung erhaltenen mikrostrukturellen Veränderungen wurden durch korrelative Elektronenrückstreubeugung und Elektronenkanalkontrastbildgebung untersucht. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass Wasserstoff mit strukturellen Defekten wechselwirkt und die Versetzungs-struktur modifiziert. Die Wechselwirkung von Wasserstoff mit spezifischen mikrostrukturellen Merkmalen wurde mittels Atomsondentomographie (APT) untersucht im Hinblick auf ihre Rolle bei der Wasserstoffversprödung. Die erfolgreichen Arbeitsabläufe wurden eingesetzt, um die Segregation von Tritium zu einer kohärenten Σ3-Zwillingsgrenze und die Segregation von Deuterium zu einer unspezifischen Großwinkelkorngrenze in dem durch APT untersuchten TWIP-Stahl zu untersuchen. Die aktuelle Studie legt daher nahe, dass die kohärenten Σ3-Zwillingsgrenzen Wasserstoffeinfangstellen in TWIP-Stählen sind.

Einrichtungen

• Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik [520000]
• Lehrstuhl für Werkstoffphysik und Institut für Metallkunde und Materialphysik [523110]