Bei der Entscheidung, welches Material für Infrastrukturprojekte verwendet werden soll, werden Metalle oft aufgrund ihrer Haltbarkeit ausgewählt. In einer wasserstoffreichen Umgebung wie Wasser können Metalle jedoch spröde werden und versagen. Seit Mitte des 19. Jahrhunderts hat dieses Phänomen, bekannt als Wasserstoffversprödung, Forscher mit seiner unvorhersehbaren Natur verwirrt. Jetzt eine Studie veröffentlicht in Wissenschaftliche Fortschritte bringt uns der sicheren Vorhersage einen Schritt näher.
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 Rissbildung in zunächst makellosen, rissfreien Proben einer Nickelbasislegierung (Inconel 725), die vor allem für ihre Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit bekannt ist. Derzeit gibt es mehrere Arbeitshypothesen, die versuchen, die Wasserstoffversprödung zu erklären. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass eine der bekannteren Hypothesen – die durch Wasserstoff verstärkte lokalisierte Plastizität (HELP) – im Fall dieser Legierung nicht anwendbar ist.
Plastizität oder irreversible Verformung ist in einem Material nicht gleichmäßig, sondern auf bestimmte Punkte beschränkt. HELP geht davon aus, dass Risse an den Punkten mit der höchsten lokalen Plastizität entstehen.
„Soweit ich weiß, ist unsere Studie die erste, die tatsächlich in Echtzeit untersucht, wo Risse entstehen – und zwar nicht an den Stellen mit der höchsten lokalen Plastizität“, sagte Co-Autor Dr. Michael J. Demkowicz, Professor am Department of Materials Science and Engineering der Texas A&M University und Lius Doktorvater. „Unsere Studie verfolgt sowohl die lokale Plastizität als auch die Stellen, an denen Risse entstehen, in Echtzeit.“
Die Verfolgung der Rissbildung in Echtzeit ist von entscheidender Bedeutung. Bei der Untersuchung einer Probe nach der Entstehung eines Risses ist der Wasserstoff bereits aus dem Material entwichen, sodass es unmöglich ist, den Mechanismus zu verstehen, der zum Schaden geführt hat.
„Wasserstoff entweicht leicht aus Metallen. Man kann also nicht herausfinden, wie Wasserstoff ein Metall versprödet, indem man Proben nach dem Test untersucht. Man muss während des Tests genau hinsehen“, sagte Demkowicz.
Diese Studie trägt dazu bei, die Grundlage für eine bessere Vorhersage der Wasserstoffversprödung zu legen. In Zukunft könnte Wasserstoff fossile Brennstoffe als saubere Energiequelle ersetzen. Sollte dieser Wandel eintreten, würde die gesamte Infrastruktur, die derzeit zur Lagerung und Nutzung fossiler Brennstoffe genutzt wird, anfällig für Wasserstoffversprödung. Die Vorhersage der Versprödung ist entscheidend, um unerwartete Ausfälle zu verhindern und eine zukünftige Wasserstoffwirtschaft zu ermöglichen.
Die Experimente für diese Studie sowie die vorläufige Datenanalyse wurden an der Texas A&M durchgeführt, während Liu die weitere Datenanalyse und Manuskriptvorbereitung an der Washington and Lee University übernahm. Diese Arbeit wurde gemeinsam von Liu, Demkowicz und dem Doktoranden der Texas A&M University, Lai Jiang, verfasst.
Mehr Informationen:
Mengying Liu et al, Rolle des Schlupfes bei der wasserstoffunterstützten Rissbildung in der Ni-basierten Legierung 725, Wissenschaftliche Fortschritte (2024). DOI: 10.1126/sciadv.ado2118