Forscher konzentrieren sich auf den zugrunde liegenden Mechanismus, der dazu führt, dass Legierungen in Wasserstoff-reichen Umgebungen Risse bekommen.

19. Juli 2024

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Von Alyssa Schaechinger, Texas A&M University

Bei der Entscheidung, welches Material für Infrastrukturprojekte verwendet werden soll, werden oft Metalle aufgrund ihrer Haltbarkeit ausgewählt. Wenn Metalle jedoch in einer wasserstoffreichen Umgebung wie Wasser platziert werden, können sie spröde werden und versagen. Seit Mitte des 19. Jahrhunderts haben Forscher dieses Phänomen, bekannt als Wasserstoffversprödung, mit seiner unvorhersehbaren Natur verblüfft. Eine in Science Advances veröffentlichte Studie bringt uns nun einen Schritt näher, es mit Zuversicht vorherzusagen.

Die Arbeit wird von Dr. Mengying Liu von der Washington and Lee University in Zusammenarbeit mit Forschern der Texas A&M University geleitet. Das Team untersuchte die Bildung von Rissen in zunächst makellosen, rissfreien Proben einer Nickelbasislegierung (Inconel 725), die hauptsächlich für ihre Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit bekannt ist. Derzeit gibt es mehrere Arbeitsannahmen, die versuchen, die Wasserstoffversprödung zu erklären. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass eine der bekannteren Annahmen - die Wasserstoff-verstärkte lokalisierte Plastizität (HELP) - im Falle dieser Legierung nicht anwendbar ist.

Plastizität oder irreversible Verformung ist nicht gleichmäßig in einem Material vertreten, sondern ist auf bestimmte Punkte begrenzt. HELP nimmt an, dass Risse an den Punkten mit der höchsten lokalisierten Plastizität initiiert werden.

„Soweit ich weiß, ist unsere Studie die erste, die tatsächlich in Echtzeit untersucht, wo Risse entstehen - und das ist nicht an Orten mit der höchsten lokalisierten Plastizität.“, sagte Mitautor Dr. Michael J. Demkowicz, Professor am Department of Materials Science and Engineering an der Texas A&M University und Liu's Ph.D.-Berater. „Unsere Studie verfolgt sowohl die lokalisierte Plastizität als auch die Rissinitiierungsorte in Echtzeit.“

Das Verfolgen der Rissinitiierung in Echtzeit ist entscheidend. Wenn man eine Probe nach dem Auftreten eines Risses untersucht, ist der Wasserstoff bereits aus dem Material entwichen, was es unmöglich macht, den Mechanismus, der zur Beschädigung geführt hat, zu verstehen.

„Wasserstoff entweicht leicht aus Metallen, daher können Sie nicht herausfinden, wie er ein Metall verspröden kann, indem Sie Proben nach dem Test untersuchen. Sie müssen während des Tests zuschauen.“, sagte Demkowicz.

Diese Studie hilft, die Grundlage für bessere Vorhersagen der Wasserstoffversprödung zu legen. In Zukunft könnte Wasserstoff fossile Brennstoffe als saubere Energiequelle ersetzen. Wenn dieser Wandel eintritt, würden alle derzeit für die Speicherung und Nutzung fossiler Brennstoffe verwendeten Infrastruktureinrichtungen anfällig für Wasserstoffversprödung werden. Die Vorhersage der Versprödung ist entscheidend, um unerwartete Ausfälle zu verhindern und eine zukünftige Wasserstoffwirtschaft möglich zu machen.

Die Experimente für diese Studie sowie die vorläufige Datenanalyse wurden an der Texas A&M durchgeführt, wobei Liu weitere Datenanalyse und Manuskriptvorbereitung an der Washington and Lee durchführte. Dieser Artikel ist eine gemeinsame Arbeit von Liu, Demkowicz und dem Doktoranden der Texas A&M, Lai Jiang.

Weitere Informationen: Mengying Liu et al, Rolle des Gleitens bei der wasserstoffunterstützten Rissinitiierung in Ni-basierter Legierung 725, Science Advances (2024). DOI: 10.1126/sciadv.ado2118

Journal-Informationen: Science Advances

Bereitgestellt von: Texas A&M University