Ab-initio based modelling of hydrogen embrittlement in steel.

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

Organisationseinheiten

Abstract

Hochfeste Stähle werden durch Wasserstoffversprödung (WV) beeinträchtigt was zu deren Versagen führen kann. Eine Kombination aus theoretischen Methoden und experimentellen Techniken ist notwendig zum besseren Verständnis der involvierten Mechanismen dieses Phänomens. In dieser Doktorarbeit werden wichtige Aspekte der WV von theoretischer Seite mittels der Dichtefunktionaltheorie in ferritischen Eisen betrachtet. Der aktuelle Forschungsstand gibt keine universelle Erklärung für den Effekt von H in Materialien. Daher muss eine Kombination von WV Mechanismen in Betracht gezogen werden. Speziell HEDE (hydrogen-enhanced decohesion) und HELP (hydrogen enhanced localized plasticity) Mechanismen sind die meistzitierten Kombinationen von Mechanismen. Als erstes wurde in dieser Arbeit die gemischte M111 Versetzung in ferritischen Eisen im Vergleich mit anderen kubischraumzentrierten Metallen untersucht. Diese Art von Versetzung, sowie die Schraubversetzung, hat eine spezielle Kernstruktur und relativ hohe Peirlsspannungen. Zwei mögliche Kernstrukturen wurden untersucht und es wurde gefunden, dass alle Metalle dieselbe Kernstruktur als Grundstruktur aufweisen. Für Fe ist der energetische Unterschied allerdings minimal. Im nächsten Schritt wurde die Segregation von Wasserstoff zu typischen Fallen oder Defekten wie Leerstelle, Korngrenze (KG), Oberfläche (FS), und den zuvor erwähnten Versetzungen (Schraube und Gemischt) in ferritischen Eisen detailliert untersucht. Das Segregationsprofil zu diesen Defekten wurde bestimmt, wobei die stärkste Segregationstendenz immer im Zentrum des Defektes gefunden wurde. Für Leerstellen und KGs wurde stärkere Segregationsenergien gefunden als für Versetzungen. Andererseits zeigen Abschätzungen mit der McLean-Langmuir Isotherme das sich bei Raumtemperatur +/- 100K nahezu gleichviel H Atome an den Defekten anreichern. Karbide spielen eine wichtige Rolle für HE als potentielle Fallen für H. Deswegen wurde die Segregation von H zu einigen MeC/Fe Grenzflächen (Me= Ti, V, Nb) untersucht. Die durchgeführten Rechnungen zeigen das H am wahrscheinlichsten die tetrahedrale interstitielle Position im verzerrten Ferrit an der MeC/Fe Grenzfläche besetzt, da die Energiebarriere in das Karbid sehr hoch sein kann. C-Leerstellen sind an der kohärenten MeC/Fe Grenzfläche thermodynamisch nicht stabil, weshalb sie für H Segregation keine Rolle spielen. Um den Einfluss von verschiedenen Legierungselementen auf HEDE in Eisen zu untersuchen, wurde für den Großteil der Elemente im Periodensystem (H-Bi) der Effekt auf KG- und Matrixkohäsion berechnet. Je nach dem ob der Effekt auf die Matrixkohäsion („partial cohesive energy“) und KG-Kohäsion („strengthening energy“) verstärkend oder versprödend ist, wurde eine Liste von Elementen erstellt die dem versprödenden Effekt von H entgegenwirken können. Auf dieser Liste basierend wurde die Interaktion von Elementen mit H in der Matrix und an der KG untersucht und die effektivsten Elemente für wasserstoffresistente Stähle identifiziert. Diese Arbeit ist untersucht mithilfe von Dichtefunktionaltheorie die Wasserstoffversprödung in ferritischen Eisen auf atomistischer Skala und berücksichtigt dabei verschiedene Mechanismen. Dabei wurde ein Datensatz für H Segregation und Interaktion mit Legierungselementen erstellt für die Entwicklung von neuen wasserstoffresistenten Stählen.

Details

Titel in ÜbersetzungAb-initio Modellierung von wasserstoffinduzierter Schädigung in Stählen.
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Andrei, Ruban, Beurteiler A (extern), Externe Person
  • Pippan, Reinhard, Betreuer (intern)
  • Holec, David, Beurteiler B (intern)
StatusVeröffentlicht - 2020