Ziel dieser Arbeit ist es, einen Beitrag zu Designrichtlinien für Werkstoffe und die Herstellung hochfester Stahlverbindungselementen mit geringerer Anfälligkeit für Wasserstoffversprödung zu leisten. Dies wird durch die Anwendung des so genannten "beneficial trapping" Konzepts erreicht, bei dem energetisch günstigere "Fallen" Wasserstoff aus den interstitiellen Gitterplätzen abziehen und damit seine nachteiligen Auswirkungen verhindern. Für die Quantifizierbarkeit müssen Häufigkeit und Bindungsenergie der Fallen bekannt sein. Dieses Konzept wird als mikrostruktureller Bottom-up-Ansatz verwendet und ermöglicht so die Einbeziehung der Produktionswege und der Mikrostrukturevolution sowie die Untersuchung ihrer Wechselwirkung mit Wasserstoff auf theoretischer Basis. Für die Anwendung dieses Konzepts ist eine detaillierte Kenntnis der Art und der entsprechenden Anzahl und Bindungsenergie von Fallen erforderlich.
Dazu wird zum einen der Herstellungsprozess vom Draht zum Verbindungselement mit Hilfe einer Umformsimulation untersucht. Diese Ergebnisse werden bei der Berechnung der Anzahl der Fallen berücksichtigt. Zum anderen werden Fallendichten in Abhängigkeit von bestimmten mikrostrukturellen Merkmalen des Werkstoffs berechnet. Die sich daraus ergebenden Fallendichten in Kombination mit ihren jeweiligen Bindungsenergien ermöglichen eine verallgemeinerte Fallenbeschreibung. Dies erlaubt es, die Verteilung einer gegebenen Gesamtwasserstoffmenge zwischen interstitiellen Plätzen und Fallen in einem Material für verschiedene Herstellungsstufen und Materialzusammensetzungen mit Simulationsmethoden zu untersuchen. Ein derartiger gesamtheitlicher Ansatz unter Einbeziehung von Prozess und Material ist bisher nicht verfügbar.
Die Ergebnisse zeigen, dass die schädliche mobile Wasserstoffkonzentration im Bauteil durch eine ausreichende Menge an kleinen Karbiden minimiert werden kann. Das Vorhandensein solcher Ausscheidungen, jedoch in unzureichender Menge und/oder Größe, führt zu einer hohen mobilen Wasserstoffkonzentration bei konstanter Gesamtkonzentration. Darüber hinaus beeinflusst der Herstellungsprozess des Verbindungselements aufgrund der daraus resultierenden plastischen Verformungen die lokale Verteilung der mobilen sowie Fallenwasserstoffkonzentration in diesem. Das Vorhandensein einer inhomogenen Mikrostruktur, d.h. Korngröße, trägt ebenfalls zu dieser lokalen Abhängigkeit bei.
Der vorgestellte Ansatz ermöglicht eine Erstabschätzung des Wasserstoffeinlagerungsvermögens entlang der Herstellungsroute von hochfesten Stahlverbindungselementen und erlaubt die Berücksichtigung weiterer Parameter wie Temperatur oder Verformung. Dies ist von großer Bedeutung für die zukünftige Gestaltung von Fertigungsprozessen und Werkstoffen, da diese Arbeit den ersten Schritt zur Schaffung einer theoretischen Grundlage für die Wechselwirkung der Fertigung und der Entwicklung der Mikrostruktur mit Wasserstoff darstellt.