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Struktur und Gitterdynamik wasserstoffbeladener austenitischer Edelstähle

Hölzel, Markus :
Struktur und Gitterdynamik wasserstoffbeladener austenitischer Edelstähle.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2004)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Struktur und Gitterdynamik wasserstoffbeladener austenitischer Edelstähle
Language: German
Abstract:

Austenitische Edelstähle finden einen sehr weitverbreiteten Einsatz. Ihre Anwendungen reichen von Haushaltsgegenständen über Druckkessel zu Schiffspropellern und Turbinen. Für zahlreiche Anwendungen austenitischer Edelstähle stellt die Verschlechterung mechanischer Eigenschaften durch Aufnahme von Wasserstoff aus der Umgebung ein großes Problem dar. Trotz intensiver Forschungsarbeiten in den letzten Jahrzehnten sind die Mechanismen der Wasserstoffversprödung in Stählen noch immer nicht vollständig verstanden. Unter den postulierten Mechanismen der Wasserstoffversprödung in austenitischen Edelstählen ist die wasserstoffinduzierte Bildung versprödender Hydrid- und Martensitphasen in der Diskussion. Zur Untersuchung des Phasenumwandlungsverhaltens infolge von Wasserstoffbeladungen wurden in der vorliegenden Arbeit Stahlproben untersucht, welche unter hohen Drücken hydriert worden waren. Die Ergebnisse wurden mit aus der Literatur bekannten Ergebnissen an elektrolytisch beladenen Proben verglichen. Hochdruck-Hydrierungen führen zu einer weitgehend homogenen Wasserstoffverteilung im Volumen, während elektrolytische Beladungen eine Wasserstoffabscheidung an der Oberfläche mit starken Konzentrationsgradienten ins Probeninnere bewirken. Mittels elastischer und inelastischer Neutronenstreuung sowie Röntgenbeugung wurde der Einfluss von Wasserstoff auf Struktur und Gitterdynamik der austenitischen Edelstähle Fe/Cr18/Ni10 und Fe/Cr25/Ni20 untersucht. Die Inelastische Neutronenstreuung liefert aufgrund ihrer hohen Sensitivität bzgl. Wasserstoff u.a. auch Informationen zur Bildung von Hydriden komplementär zur Beugung. Es wurde festgestellt, dass Wasserstoff- bzw. Deuteriumatome in beiden Stahlsorten ausschließlich die Oktaederlücken besetzen. Im Rahmen der Nachweisempfindlichkeit wurden keine wasserstoffinduzierten Phasenumwandlungen im Stahl Fe/Cr25/Ni20 über den gesamten Konzentrationsbereich bis zu H/Me = 1 beobachtet. Im Falle von Fe/Cr18/Ni10 trat die Bildung von Epsilon-Martensit bei Hydrierungen unter 3.0 und 7.0 GPa bei Wasserstoffgehalten von H/Me = 0.56 bzw. H/Me = 1.03 auf, sowie bei Beaufschlagung von 4.0 GPa ohne Wasserstoff. Weder die elastischen noch die inelastischen Neutronenstreuexperimente gaben Hinweise auf Hydride. In den Schwingungsspektren wurde eine kontinuierliche Abnahme der Schwingungsenergien der optischen Moden mit zunehmendem Me-H - Atomabstand deutlich. Die optischen Moden in den Proben beider Stahlsorten mit den höchsten Wasserstoffgehalten (H/Me = 1) zeigten jeweils eine Aufspaltung, welche durch longitudinale und transversale Schwingungsmoden beschrieben werden konnte. In allen Proben wiesen die optischen Moden eine deutliche Verbreiterung auf, die wohl hauptsächlich aus der Modifikation der Schwingungsenergie mit Anordnungen der Nachbaratome in den vorliegenden ungeordneten Legierungen resultierte. Die Hochdruck-hydrierten Proben zeigten selbst bei maximalen Wasserstoffgehalten eine deutlich geringere Tendenz zur Bildung von Epsilon-Martensit als im Falle der elektrolytischen Hydrierung. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass für die Bildung von Epsilon-Martensit infolge von Wasserstoffbeladungen weniger die Wasserstoffkonzentration entscheidend ist, als vielmehr die aus der Wasserstoffverteilung resultierenden Spannungszustände. Diese Arbeit brachte einige Ergebnisse hervor, welche eindeutig gegen die These der wasserstoffinduzierten Hydrid- und Martensitbildung zur Beschreibung der Wasserstoffversprödung in austenitischen Edelstählen sprechen: In den Stahlsorten Fe/Cr25/Ni20 und Fe/Cr18/Ni10 wurden keine Hinweise für für die Ausscheidung einer Hydridphase gefunden; im Stahl Fe/Cr25/Ni20 erfolgte über den kompletten Konzentrationsbereich bis H/Me = 1 keine Phasenumwandlung; im Stahl Fe/Cr18/Ni10 konnten auch ohne die Anwesenheit von Wasserstoff Martensitumwandlungen durch hohe Drücke erzeugt werden.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Austenitic stainless steels are widely applied alloys. Their applications reach from sets of cutlery to pressure vessels, marine screw propellers and turbines. The degradation of mechanical properties due to the uptake of hydrogen from the environment is a severe problem for a lot of applications. Among the postulated mechanisms of hydrogen embrittlement in austenitic stainless steels, the hydrogen-induced formation of brittle hydride and martensite phases is under discussion. In this work, steel samples have been studied, which were hydrogenated under high pressures in order to investigate the phase transformation behaviour due to hydrogen chargings. The results were compared with literature data based on electrolytically hydrogenated samples. High-pressure hydrogenations lead to quite homogeneous hydrogen distributions in the bulk, while electrolytical hydrogen chargings result in a hydrogen deposition on the surface with strong gradients in the hydrogen concentration. The effects of hydrogen on the structure and lattice dynamics in austenitic stainless steels Fe/Cr18/Ni10 and Fe/Cr25/Ni20 have been investigated by elastic and inelastic neutron scattering as well as by X-ray diffraction. Inelastic neutron scattering is a very sensitive technique to study hydrogen, giving informations on the formation of hydrides which are complementary to the results obtained by diffraction. It was found that hydrogen and deuterium atoms occupy exclusively the octahedral interstitial sites in both steels. In the frame of accuracy, no hydrogen-induced phase transformations have been observed in steel Fe/Cr25/Ni20 for the whole range of hydrogen concentrations up to H/Me = 1. In case of Fe/Cr18/Ni10, the formation of epsilon-martensite occurred due to hydrogenations at 3.0 GPa and 7.0 GPa, corresponding to hydrogen contents of H/Me = 0.56 and H/Me = 1.03, respectively. Additionally, the formation of epsilon-martensite was observed in Fe/Cr18/Ni10 after subjection to 4.0 GPa without the presence of hydrogen. Neither the elastic, nor the inelastic neutron scattering experiments gave indications for hydrides. In the vibrational spectra a continuous decrease of the vibrational energies of the optical modes has been observed for increasing Me - H interatomic distances. In both steels, the optical modes in the samples with highest hydrogen contents (H/Me = 1) showed a splitting into a two-component profile, which could be explained by longitudinal and transversal optical branches. In all samples, the peaks corresponding to the optical modes showed a significant broadening compared to the instrumental resolution. Supposedly, this broadening was mainly determined by the modification of the vibrational energies due to different configurations of metal atoms around hydrogen atoms. Even at maximum hydrogen contents, the high-pressure charged samples revealed a lower tendency for the formation of epsilon-martensite compared to electrolytically hydrogenation. The results indicate, that the formation of epsilon-martensite is less determined by the absolute hydrogen concentration rather than the stress states resulting from the particular hydrogen distributions. In this work, several results have been achieved which contradict the postulated hydrogen-induced formation of hydride and martensite phases in austenitic stainless steels: At first, no hydrides have been detected in both Fe/Cr25/Ni20 and Fe/Cr18/Ni10 steels. Secondly, no phase transformations have been found at all in steel Fe/Cr25/Ni20 for the whole range of hydrogen concentrations up to H/Me = 1. Moreover, in steel Fe/Cr18/Ni10 martensitic transformations could be achieved by high pressures even in the absence of hydrogen.English
Divisions: Fachbereich Material- und Geowissenschaften
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:21
Last Modified: 07 Dec 2012 11:50
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000453
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-4532
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Fueß, Prof. Dr. H. and Wipf, Prof. Dr. H.
Advisors: Fueß, Prof. Dr. H.
Refereed: 13 February 2004
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/453
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