Charakterisierung des Einschnürverhaltens von Hohlzugproben anhand der Methode der Finite Elemente und kontinuummechanischer Schädigungsmodellen

Abstract

Die Verwendung von Hohlzugproben mit kontinuierlichen Wasserstoffexposition während eines Zugversuchs bietet sich als eine attraktive Alternative, um den Einfluss der Wasserstoffversprödung zu erforschen. Diese Methode ist zeit- und kostensparend, zudem verlangt sie keine anspruchsvollen Explosionsschutzmaßnahmen im Gegensatz zu klassischen zylindrischen Vollproben, die einen Autoklaven benötigen. Allgemein hängt das mechanische Verhalten der Zugprobe von Geometrie, Belastung und Material ab. Durch die Erzeugung einer zylindrischen Bohrung in die Probe wird die Geometrie geändert. Durch die Belastung der Probe mit Außen- bzw. Innendruck wird eine Änderung in der Lastverteilung hervorgerufen und schließlich durch die Eindringung des Wasserstoffs in die Metallgitter, findet eine Degradation der Werkstoffkennwerte statt. Um den Effekt der drei Faktoren auf das mechanische Verhalten der Probe zu verstehen, werden sie mittels des Abaqus CAE im Zugversuch modelliert. Die gewonnenen Ergebnisse zeigten, dass die Duktilität der Probe von der Variation des Außen-, Innenradius sowie der Probenlänge abhängig ist. Der Druck hat Einfluss auf die Schädigungsentwicklung und je nach Konstellation wirkte er hemmend oder fördernd. In das Material diffundierter Wasserstoff beschleunigt die Entstehung der Schädigung und den Bruchmoment. Allerdings waren die verwendeten Berechnungsmethoden und die Laborergebnisse nicht ausreichend, um ein abschließendes Bild über die wirkenden Schädigungsmechanismen zu konstatieren, hier sind weitere Laboruntersuchungen notwendig.

The use of hollow tensile specimens with continuous hydrogen supply during a tensile test is an attractive alternative to investigate the influence of hydrogen embrittlement. This method is time and cost saving and does not require sophisticated explosion protection measures in contrast to classical cylindrical full specimens which require an autoclave to accomplish hydrogen diffusion. In general, the mechanical behavior of the tensile specimen depends on geometry, load and material. The creation of a cylindrical hole in the sample changes the geometry, the loading of the sample with external or internal pressure causes a change in the load and finally the penetration of the hydrogen into the metal lattice causes a degradation of the material properties. In order to understand the effect of the three factors on the mechanical behavior of the sample, they are modeled using the Abaqus CAE in the tensile test. The results obtained showed that the ductility of the sample depends on the variation of the outer and inner radius as well as the sample length. The pressure controlled the growth of the damage and depending on the constellation, had an inhibiting or promoting effect. Hydrogen diffusion also accelerated the development of the damage and the fracture moment. However, the calculation method used and the laboratory results were not sufficient to provide a picture of the damage mechanisms involved.