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Carrier gas hot extraction (CGHE) is a commonly applied technique for determination of hydrogen in welded joints using a thermal conductivity device (TCD) for quantitative measurement. The CGHE is based on the accelerated hydrogen effusion due to thermal activation at elevated temperatures. The ISO 3690 standard suggests different specimen geometries as well as necessary minimum extraction time vs. temperature. They have the biggest influence on precise hydrogen determination. The present study summarizes the results and experience of numerous test runs with different specimen temperatures, geometries and factors that additionally influence hydrogen determination. They are namely: specimen surface (polished/as-welded), limited TCD sensitivity vs. specimen volume, temperature measurement vs. effects of PID-furnace controller as well as errors due to insufficient data assessment. Summarized, the temperature is the driving force of the CGHE. Two different methods are suggested to increase the heating rate up the reach the desired extraction temperature without changing the experimental equipment. Suggestions are made to improve the reliability of hydrogen determination depended on the hydrogen signal stability during extraction accompanied by evaluation of the recorded data. Generally, independent temperature measurement with calibration specimens is useful for further data analysis, especially if this data is used for calculation of trapping kinetics by thermal desorption analysis (TDA).
The chapter starts with a brief introduction about corrosion, which is defined as the interdependency between a metal, a corrosive environment, and the respective component design. The second section introduces the most important forms of aqueous electrochemical corrosion (uniform corrosion, galvanic corrosion, selective and intergranular corrosion, and finally pitting and crevice corrosion in the case of passive layer forming metals). In addition, electrochemical corrosion under applied mechanical load is introduced (stress corrosion cracking, hydrogen-assisted cracking, corrosion fatigue), as well as special forms of corrosion (erosion, fretting, and microbiologically induced corrosion). The third section of this chapter introduces (mostly dry) chemical corrosion and high-temperature corrosion (oxidation, carburization, high-temperature hydrogen attack, sulfurization, nitriding, halogenation). As in the case of electrochemical corrosion, chemical corrosion can also be superimposed by mechanical loads. Finally, general facts on the testing of corrosion are introduced.
With the introduction of a hydrogen-based energy and national economy, safety-relevant components for hydrogen technologies are becoming increasingly important. Characteristic of hydrogen technologies are, for example, harsh environmental conditions such as cryogenic or high-pressure storage, corrosion issues in fuel cells and electrolyzers, turbines, and many more. Additive manufacturing of components is becoming increasingly important and irreplaceable for the production of complex technical systems. Using the case studies of burners for gas turbines and electrodes and membranes for polymer (PEMFC) and solid oxide (SOFC) fuel cells, this article shows the potential of additive manufacturing of components. At the same time, however, the challenge of considering divergent mechanical properties depending on the direction of assembly in a "hydrogen-compatible" manner is also highlighted. Finally, the challenges posed by additive manufacturing and hydrogen for materials testing are highlighted under scenarios that are as realistic as possible.
Offshore-Windenergieanlagen erfordern Gründungskonzepte aus unterpulver-(UP-)geschweißten Dickblechen (bspw. der Güte S420ML). Während der Schweißfertigung kann eine zeitverzögerte wasserstoffunterstützte Kaltrissbildung auftreten, deren Bewertung aufgrund der Bauteilgröße von Offshore-Strukturen sehr komplex ist. Deswegen wurde eine bauteilähnliche Geometrie (Mock-Up) entwickelt, um reale Steifigkeitsverhältnisse auf den Labormaßstab zu übertragen. Zusätzliche Versteifungen simulieren die Wirkung einer Einspannung bzw. Schrumpfbehinderung der Schweißnaht. Über die Verwendung von Schweißpulvern mit definierter Feuchte wurden zudem ein Extremszenario der Wasserstoffaufnahme simuliert. Entsprechend der vorgegebenen Mindestwartezeit für die ZfP von bis zu 48 h wurde die Schweißnaht zerstörungsfrei mit Phased-Array-Ultraschall-Prüfung (PAUT) geprüft und die Eigenspannungen über Röntgendiffraktometrie (XRD) bestimmt. Zusätzlich wurde die Wasserstoffverteilung in der Schweißverbindung numerisch simuliert. Außer zulässigen Defekten (wie Poren), wurde keine verzögerte Kaltrissbildung in den Mock-Ups festgestellt, was auf hohe Rissbeständigkeit hindeutet.
Offshore-Windenergieanlagen erfordern Gründungskonzepte aus unterpulver-(UP-)geschweißten Dickblechen (bspw. der Güte S420ML). Während der Schweißfertigung kann eine zeitverzögerte wasserstoffunterstützte Kaltrissbildung auftreten, deren Bewertung aufgrund der Bauteilgröße von Offshore-Strukturen sehr komplex ist. Deswegen wurde eine bauteilähnliche Geometrie (Mock-Up) entwickelt, um reale Steifigkeitsverhältnisse auf den Labormaßstab zu übertragen. Zusätzliche Versteifungen simulieren die Wirkung einer Einspannung bzw. Schrumpfbehinderung der Schweißnaht. Über die Verwendung von Schweißpulvern mit definierter Feuchte wurden zudem ein Extremszenario der Wasserstoffaufnahme simuliert. Entsprechend der vorgegebenen Mindestwartezeit für die ZfP von bis zu 48 h wurde die Schweißnaht zerstörungsfrei mit Phased-Array-Ultraschall-Prüfung (PAUT) geprüft und die Eigenspannungen über Röntgendiffraktometrie (XRD) bestimmt. Zusätzlich wurde die Wasserstoffverteilung in der Schweißverbindung numerisch simuliert. Außer zulässigen Defekten (wie Poren), wurde keine verzögerte Kaltrissbildung in den Mock-Ups festgestellt, was auf hohe Rissbeständigkeit hindeutet.
Dieses Dokument fasst den Projekfortschritt des BAM-Projektes "Entwicklung von Wärmenachbehandlungsstrategien zur Vermeidung von Spannungsrelaxationsrissen" im Rahmen des Fachausschusses 1 "Schweißmetallurgie" des DVS e.V. für das Projektjahr 2021 zusammen und stellt die wichtigsten Ergebnisse in Kurzform vor.
Die vorliegende Präsentation fasst die Ergebnisse von drei laufenden bzw. beendeten AiF/IGF-Projekten zusammen, die über die Forschungsvereinigung Stahlanwendung FOSTA e.V. an der BAM bearbeitet wurden zum Thema: Bewertung und Vermeidung von schweißverarbeitungsbedingten Rissen in hochfesten Baustählen.
Bewertungsmethode zur Interaktion von Metallurgie und Reaktionskräften beim PWHT warmfester Stähle
(2022)
Die Präsentation fasst die Entwicklung einer Ersatzprüfmethode für sogenannte Stress-Relief-Cracks (SRC) bei dickwandigen und kriechfesten geschweißten Stahlkomponenten zusammen. Über die Kombination von gezielter mechanischer Beanspruchung unter hoher Temperaturbeanspruchung werden die Effekte des Post Weld Heat Treatments auf SRC realistisch erstmal auf Laborskala nachgebildet.
Multi-element systems with defined entropy (HEA - High Entropy Alloy or MEA - Medium Entropy Alloy) are rather new material concepts that are becoming increasingly important in materials research and development. Some HEA systems show significantly improved properties or combinations of properties, e.g., the overcome of the trade-off between high strength and ductility. Thus, the synthesis, the resulting microstructures, and properties of HEA have been primarily investigated so far. In addition, processing is crucial to achieve a transfer of potential HEA/MEA materials to real applications, e.g. highly stressed components. Since fusion welding is the most important joining process for metals, it is of vital importance to investigate the weldability of these materials. However, this has rarely been the subject of research up to date. For that reason, in this work the weldability depending on the surface preparation of a CoCrFeMnNi-HEA and a CoCrNi-MEA for TIG welding is investigated. The fusion welding of longer plates is described here for the first time for the CoCrNi alloy. The welds of both materials showed distinct formation of cracks in the heat affected zone (HAZ). Optical and scanning electron microscopy analysis clearly confirmed an intergranular fracture topography. But based on the results, the crack mechanism cannot be conclusively clarified as either a liquid metal embrittlement (LME) or hot cracking like liquid film separation occurred.
As onshore installation capacity is limited, the increase in the number of offshore wind turbines (OWT) is a major goal. In that connection, the OWTs continuously increase in size and weight and demand adequate foundations concepts like monopiles or tripods. These components are typically manufactured from welded mild steel plates with thickness up to 200 mm. The predominant welding technique is submerged arc welding (SAW). In accordance with the standards, the occurrence of hydrogen-assisted cracking is anticipated by either a minimum waiting time (MWT, before non-destructive testing of the welded joint is allowed) at ambient or a hydrogen removal heat treatment (HRHT) at elevated temperatures. The effectiveness of both can be estimated by calculation of the diffusion time, i.e., diffusion coefficients. In this study, these coefficients are obtained for the first time for a thick-walled S420G2+M offshore steel grade and its multi-layer SAW joint. The electrochemical permeation technique at ambient temperature is used for the determination of diffusion coefficients for both the base material and the weld metal. The coefficients are within a range of 1025 to 1024 mm2/s (whereas the weld metal had the lowest) and are used for an analytical and numerical calculation of the hydrogen diffusion and the related MWT. The results showed that long MWT can occur, which would be necessary to significantly decrease the hydrogen concentration. Weld metal diffusion coefficients at elevated temperatures were calculated from hydrogen desorption experiments by carrier gas hot extraction. They are within a range of 1023 mm2/s and used for the characterization of a HRHT dwell-time. The analytical calculation shows the same tendency of long necessary times also at elevated temperatures. That means the necessary time is strongly influenced by the considered plate thickness and the estimation of any MWT/HRHT via diffusion coefficients should be critically discussed.
Multielement-Legierungen (MPEA - Multiple Principal Element Alloys), gemeinhin und partiell fälschlicherweise auch als Hochentropielegierungen bezeichnet) stellen eine neue Klasse von Werkstoffen dar, die aus mindestens drei Legierungselementen mit jeweils 5 bis 35 Atom-% bestehen. Somit unterscheidet sich dieses Legierungskonzept fundamental von konventionellen Werkstoffen wie Stahl oder Nickellegierungen. Hierzu werden die Legierungselemente gezielt ausgewählt und die Mikrostrukturen ein- und zum Teil auch mehrphasig eingestellt. Das Ziel ist dabei, hochinnovative MPEA mit individuell einstellbaren Eigenschaften für die industrielle Anwendung zu identifizieren. Dabei werden insbesondere Zielkonflikte, wie bspw. der Trade-off zwischen Festigkeit und Duktilität bei konventionellen Stählen, überwunden. Insbesondere die hohe mechanische Festigkeit bei höchster Korrosionsbeständigkeit sind bei bestimmten Legierungssystemen von hohem Interesse. Hier kann u.a. die Substitution klassischer hochlegierter Stähle oder Ni-Basislegierungen perspektivisch erfolgen. In den letzten 20 Jahren lag der Fokus jedoch auf der reinen Materialsynthese. Mit der Zunahme verfügbarer Werkstoffquantitäten, stehen Verarbeitungsfragen, wie werkstoff- und beanspruchungsgerechte Füge- bzw. Schweißverfahren jetzt im Mittelpunkt. Der Schweißeignung von MPEA wurde bisher nur äußert wenig Aufmerksamkeit zuteil. Erfahrungen zu Mischverbindungen
(DMWs - Dissimilar Metal Welds) fehlen dabei vollständig, sind jedoch essenziell für die Anwendung dieser Werkstoffe in Verbindung mit konventionellen Werkstoffen. Die vorliegende Studie präsentiert erstmals im deutschen Sprachraum, die umfassenden experimentellen Ergebnisse zur Schweißeignung von MPEA-Mischverbindungen und der resultierenden Mikrostruktur. Dazu wurden zwei äquiatomare MPEAs in Form einer Co20Cr20Fe20Mn20Ni20 (Hochentropie-) und Co33.3Cr33.3Ni33.3 (Mediumentropielegierung) mittels WIG und Rührreibschweißen mit einem konventionellen, korrosionsbeständigem Cr-Ni-Stahl AISI 304 (1.4301 bzw. X5CrNi18-10) gefügt. Die erstmals untersuchten DMWs resultierten dabei in sehr interessanten Mikrostrukturen, mechanisch-technologische Eigenschaften wurden durch instrumentierte Zugversuche gewonnen, die gleichzeitig der Ermittlung der lokalen Verformung im Schweißnahtbereich dienten (durch Verwendung der berührungslosen DIC-Digital Image Correlation-Technik). Dabei zeigt sich für beide Schweißverfahren eine Erweichung in der Wärmeeinflusszone (WEZ) der MPEAs sowie eine geringfügig verminderte Zugfestigkeit, bei einer deutlichen Abnahme der Bruchdehnung. Durch die Experimente konnte der prinzipielle Nachweis der Schweißeignung der MPEAs für DMWs mit konventionellen Werkstoffen erbracht werden, die auch eine dementsprechende mechanische Beanspruchbarkeit ermöglichen. Dies ermöglicht weitere Betrachtungen zur Anwendung dieser innovativen Werkstoffe.
Contemporary steels creep-resistant steels like the 13CrMoV9-10 are used as thick plates e.g., for applications in hydrocrackers. The large plate thickness requires high efficiency welding processes like submerged arc welding (SAW) and a mandatory post weld heat treatment (PWHT). The PWHT-parameters stem from a combination of empirical knowledge and traditional experiments on free shrinking (FS) welds. In that connection, the formation of so-called stress-relief cracking (SRC) must be anticipated. The SRC susceptibility of a welded component is a complex combination and interaction of com-ponent specific, thermal, and metallurgical factors. Many of which have to date not been conclusively researched. For example, it is well known that SRCs develop during PWHT due to formation and growth of carbides on prior austenite grain boundaries, resulting in a significant hardness increase (secondary hardening) and toughness decrease. This leads to a high SRC susceptibility of the coarse grain heat-affected zone (CGHAZ) of the last weld bead during PWHT. This is intensified in case of high residual stresses from the component-specific, structurally induced stiffness. In combination with multi-layer welding this leads to a multiaxial stress distribution. Nonetheless, the combined effect of PWHT and high-residual stresses on the SRC formation is merely unknown. For that reason, this study presents the effect of different heating rates in conjunction with a certain component stiffness. For that reason, SAW joints of 13CrMoV9-10 steel were investigated under FS and defined external restraint condition.
Offshore wind turbines continuously increase in size and weight and demand adequate offshore foundations concepts like monopiles, tripods, or jackets. These components are typically constructed using submerged arc welding (SAW) with high-strength thick steel plates like the S420ML. During welding, the occurrence of delayed hydrogen-assisted cracking (HAC) must be anticipated. HAC is a critical combination of the local hydrogen concentration within a susceptible microstructure under certain mechanical load, i.e., the occurring (welding) residual stresses. The welding sequence of the thick-walled plates complicates the residual stress distribution due to the necessary repeated thermal cycling, i.e., welding seam/layer deposition to fill the joint. For that purpose, SAW with two-wire-technique was used to weld a specially designed and prototype-like mock-up of a real component with a thickness of 50 mm, filled with over 20 passes and a seam length of 1000 mm. Additional welded stiffeners simulated the effect of a high restraint, to achieve critical HAC conditions. The necessity of a minimum waiting time (MWT) before the NDT can be conducted (to exclude HAC) was critically verified by the application of ultrasonic testing of the welded joint at different time-steps of the NDT of up to 48 h after the completion welding. The residual stresses were determined by a robot XRD goniometer. Tensile residual stresses up to the yield limit are found both in the weld metal and in the heat-affected zone. Numerical modeling allowed the qualitative estimation of the hydrogen diffusion in the weld. No noticeable HAC occurrence was identified and confirms the high cracking resistance of the investigated material. Finally, the applicability of the MWT concept should be critically discussed.
Offshore wind turbines (OWT) are a key factor of the sustainable energy generation of tomorrow. The continuously increasing installation depths and weight of the OWTs require suitable foundation concepts like monopiles or tripods. Typically, mild steels like the S420ML are used with plate thicknesses up to several hundreds of mm causing high restraints in the weld joints. Due to the large plate thickness, submerged arc welding (SAW) with multiple wires is the state-of-the-art welding procedure. As a result of the very high stiffness of the construction, a certain susceptibility for time-delayed hydrogen-assisted cracking (HAC) may occur. The evaluation of crack susceptibility is very complex due to the component size and stiffness of real offshore structures. For this purpose, a near-component test geometry was developed to transfer the real stiffness conditions to laboratory (i.e., workshop) scale. The investigated mock-up, weighing 350 kg, comprised heavy plates (thickness 50 mm, seam length 1,000 m) joined by a 22-pass submerged arc weld. Additional stiffeners simulated the effect of high restraint or shrinkage restraint of the weld. Extreme scenarios of hydrogen absorption during welding were simulated via the use of welding fluxes in dry (HD < 5 ml/100g Fe) and moisture condition (HD > 15 ml/100g Fe). The residual stresses were determined by a robot X-ray diffractometer. Areas of critical tensile residual stress (at the level of the yield strength) were found in the weld metal and heat affected zone. To identify possible delayed cracking, the welds were tested by phased array ultrasonic testing (PAUT) after 48 h. Summarized, no significant occurrence of HAC was detected, indicating the high crack resistance of the welded joint, i.e., a suitable combination of base material, welding consumable and welding parameters.
Multi-principal element alloys (MPEAs) are innovative materials that have attracted extensive research attention within the last decade. MPEAs are characterized by a solid solution of equiatomic metallic elements. Depending on the number of elements, they are also referred as high entropy alloys (HEAs with n ≥ 4 elements like CoCrFeMnNi) and medium-entropy alloys (MEA with n = 3 elements CoCrNi). Depending on the alloy concept, MPEAs show exceptional properties in terms of mechanical performance or corrosion resistance at extreme environments. In that connection, hydrogen and its challenges for the most metallic materials gets more and more important. MPEAs are candidate materials for the substitution of conventional materials like austenitic stainless steels e.g., at very high-pressure up to 1000 bar. Those pressures are typically reached in valves or compressors for refueling of tanks with operational pressure of 700 bar. So far, the susceptibility of HEA/MEAs to hydrogen assisted cracking (if any) and the especially the underlying hydrogen uptake and diffusion was not within the scientific scope and not investigated in detail yet. For that reason, we focused on the hydrogen absorption the characterization of the hydrogen diffusion and trapping at elevated temperatures in a CoCrFeMnNi-HEA (each element with 20 at.-%) and CoCrNi-MEA, each element with 33.3 at.-%). As reference grade, the commercially available austenitic stainless steel AISI 316L was investigated. High-pressure hydrogen charging was conducted at different pressures in autoclave environment with maximum value of 1,000 bar. Thermal desorption analysis (TDA) via carrier gas hot extraction with coupled mass spectrometry was used with a max. heating rate of 0.5 K/s up to 650 °C. The measured desorption spectra of the different samples were deconvoluted into a defined number of individual peaks. The individually calculated peak temperatures allowed the definition of activation energies for predominant trap sites in the respective materials as well as the percentage share of the totally absorbed hydrogen concentration. The results present for the first time the complex interaction of both MPEAs and high-pressure hydrogen charging. A deconvolution of four peaks was selected and a main desorption peak was identified the dominant hydrogen trap containing the biggest share of the absorbed hydrogen concentration. The chemical composition an austenitic phase of both MPEAs is responsible for delayed hydrogen diffusion and strong, but mostly reversible, trapping. The comparison with the 316L samples showed significantly higher activation energies in the MPEAs, whereas hydrogen was also trapped at very high extraction temperatures. The absorbed maximum hydrogen concentration at 1,000 bar was 130 ppm for the CoCrFeMnNi-HEA, 50 ppm for the CoCrNi-MEA and 80 ppm for the 316L. It is interesting that the CoCrFeMnNi-HEA has obviously a way higher trapping capability compared to the conventional austenitic 316L, which could be a major advantage in terms of resistance to hydrogen assisted cracking.
Offshore-Windenergieanlagen bilden einen zentralen Bestandteil der zukünftigen Energieerzeugung. Hierzu notwendige Gründungs- und Turmstrukturen werden vorrangig aus UP-geschweißten Blechen aus hochfesten niedriglegierten Stählen mit Dicken bis zu 200 mm hergestellt. Die großen Blechdicken begünstigen hohe Schweißeigenspannungen und lange Diffusionswege für z. B. über den Schweißprozess eingebrachten Wasserstoff. Damit steigt das Risiko für eine wasserstoffunterstützte Kaltrissbildung (WKB) an. Zum sichereren Ausschluss von WKB in den geschweißten Komponenten wird in Abhängigkeit der Nahtgröße, Wärmeeinbringung und Stahlsorte eine Mindestwartezeit (MWZ) von bis zu 48 h empfohlen, bevor die zerstörungsfreie Prüfung durchgeführt wird. Es ist allerdings offen, ob die empfohlene MWZ zu konservativ ist. Einflüsse sind hier bspw. die schwierige Bewertung des Wasserstoffdiffusionsverhaltens im heterogenen UP-Mehrlagen-Schweißgut (SG) im Vergleich zum Grundwerkstoff (GW).
Zudem sind nur sehr begrenzt H-Diffusionskoeffizienten für UP-Mehrlagen-SG als Grundlage zur Abschätzung des Zeitintervalls einer möglichen verzögerten Kaltrissbildung (somit MWZ) oder auch für Nachwärmprozeduren zur Wasserstoffreduktion (keine MWZ) verfügbar. Verlässliche H-Diffusionskoeffizienten sind daher ein adäquates Tool zur Bewertung des Risikos einer verzögerten WKB. Dieser Beitrag beschreibt Untersuchungen zur Charakterisierung der Wasserstoffdiffusionsverhalten in UP-Mehrlagen-SG eines 60 mm dicken Bleches einer Offshore-Stahlgüte.
Dazu wurden Proben unterschiedlicher Dicke aus dem reinen Schweißgut extrahiert und über elektrochemische Permeation und Trägergasheißextraktion im Temperaturbereich bis 400 °C sehr interessante Ergebnisse zu den korrespondierenden Diffusionskoeffizienten erarbeitet.
Dissimilar metal TIG weld joints of multiple principal element alloys (MPEA) to austenitic steel 304
(2023)
Multi-element alloys (MPEA - Multiple Principal Element Alloys) represent a new class of materials consisting of at least three alloying elements, each with 5 to 35 atomic %. This material class includes high-entropy alloys (HEA, with n ≥ 4 elements). The underlying alloying concept differs fundamentally from conventional materials such as the Fe-based steel. For this purpose, the alloying elements are specifically selected, and the microstructures are adjusted in a single-phase and, in some cases, multi-phase manner. The aim is to identify highly innovative MPEA with individually adjustable properties for industrial applications. In the last 20 years, however, the focus has been on pure material synthesis. With the increase in available material quantities, the focus is on processing issues such as joining and welding processes. In that connection, the weldability of MPEAs has received very little attention so far. Experience with dissimilar metal welds (DMWs) is completely lacking but is essential for the application of these materials if joint to conventional materials. This study presents selected experimental results on the weldability of MPEA-DMWs and the resulting microstructures. For this purpose, the equiatomic CoCrFeMnNi (HEA) was investigated in cold-rolled (CR) and heat-treated (HT) condition and joined by tungsten inert gas (TIG) welding to an austenitic stainless steel 304. The DMWs showed defect-free conditions (no lack of fusion, cracks and so on), whereas the cold-rolling increases the microhardness. The global mechanical properties were obtained by instrumented tensile tests of cross-weld samples and showed sufficient yield and tensile strength comparable to that of the individual base materials (BM). The local strain conditions were determined by digital image correlation and showed the highest local strains to occur in the intermixed weld metal. Indeed, the preferred fracture location of the cross-weld tensile samples was in the weld metal. Finally, the experiments proofed the weldability of the MPEAs to conventional 304. This enables targeted further considerations for example as structural materials.
Effect of Tensile Loading and Temperature on the Hydrogen Solubility of Steels at High Gas Pressure
(2023)
The hydrogen solubility in ferritic and martensitic steels is affected by hydrostatic stress, pressure, and temperature. In general, compressive stresses decrease but tensile stresses increase the hydrogen solubility. This important aspect must be considered when qualifying materials for high‐pressure hydrogen applications (e.g., for pipelines or tanks) by using autoclave systems. In this work, a pressure equivalent for compensating the effect of compressive stresses on the hydrogen solubility inside of closed autoclaves is proposed to achieve solubilities that are equivalent to those in pipelines and tanks subjected to tensile stresses. Moreover, it is shown that the temperature effect becomes critical at low temperatures (e.g., under cryogenic conditions for storing liquid hydrogen). Trapping of hydrogen in the microstructure can increase the hydrogen solubility with decreasing temperature, having a solubility minimum at about room temperature. To demonstrate this effect, the generalized law of the hydrogen solubility is parameterized for different steels using measured contents of gaseous hydrogen. The constant parameter sets are verified and critically discussed with respect to the high‐pressure hydrogen experiments.
Mikrolegierungselementen, wie Nb und Ti sind für eine signifikante Festigkeitssteigerung von vergüteten, hochfesten Feinkornbaustählen mit einer Nominalstreckgrenze ≥ 690 MPa unerlässlich. Normvorgaben zur chemischen Zusammensetzung dieser Stähle geben zur Erzielung der vorgeschriebenen Eigenschaften dabei oft nur Grenzgehalte für die Hersteller vor. Die Wirkung der Mikrolegierungselemente bzw. ihrer Karbide und/oder Nitride ist teilweise komplett konträr, insbesondere bei Auflösung und Wiederausscheidung in der WEZ bei identischem Schweißzusatz. Somit wird eine adäquate Vorhersage der Chargenabhängigkeit hinsichtlich der Schweißeignung und des Tragverhaltens der Schweißverbindung erschwert. Eine unerwünschte Eigenschaft ist dabei die Erweichung der WEZ, wie auch u.U. der gegenteilige Effekt der Aufhärtung.
Vor diesem Hintergrund werden im Rahmen eines DFG-Vorhabens systematisch Mikrolegierungs-routen mit variierenden Ti- und Nb-Gehalten des hochfesten und vergüteten Feinkornbaustahls S690QL untersucht. Dazu wird das MAG-Schweißen mit modifizierten Sprühlichtbogen verwendet, welches durch hohe Abschmelzleistung gekennzeichnet ist und schmalere Nahtöffnungswinkel (α = 30°) ermöglicht. An Dreilagen-Schweißungen wird der Effekt der metallurgischen Zusammensetzung in Kombination mit hoher Wärmeeinwirkung auf die Ausbildung einer kritischen WEZ-Gefügezone mit Erweichung und/oder exzessiver Aufhärtung untersucht. Ein besonderes Augenmerk wird auf die Phasenumwandlungen und das Ausscheidungsverhalten im Gefüge der Wärmeeinflusszone gelegt. Neben umfangreichen metallographischen Untersuchungen einzelner WEZ-Bereiche wurden, unter Variation der chemischen Zusammensetzung,
thermodynamische Phasenberechnungen mittels Thermo-Calc durchgeführt. Hierdurch wird ein Verständnis zur Phasentransformation und Ausscheidungswachstum und -auflösung während des Schweißens in Abhängigkeit von Temperatur und Abkühlbedingungen geschaffen. Das Ziel ist es, den Einfluss der Wärmeeinwirkung auf die Gefügeausbildung in der WEZ und dessen mechanischer Eigenschaften zu analysieren. Insbesondere wird hier auf die Auswirkung der unterschiedlichen Mikrolegierungskonzepte (Ti oder Nb) geachtet.
Metals that are exposed to high pressure hydrogen gas may undergo detrimental failure by embrittlement. Understanding the mechanisms and driving forces of hydrogen absorption on the surface of metals is crucial for avoiding hydrogen embrittlement. In this study, the effect of stress-enhanced gaseous hydrogen uptake in bulk metals is investigated in detail. For that purpose, a generalized form of Sievert's law is derived from thermodynamic potentials considering the effect of microstructural trapping sites and multiaxial stresses. This new equation is parametrized and verified using experimental data for carbon steels, which were charged under gaseous hydrogen atmosphere at pressures up to 1000 bar. The role of microstructural trapping sites on the parameter identification is critically discussed.
In vielen Bereichen des modernen Stahlbaus kommen geschweißte Vollwandträger, wie I-Träger zum Einsatz. Im Gegensatz zu Walzprofilen können die Bauhöhe, die Querschnittsform und die Blechdicken an die Beanspruchung angepasst werden, wodurch sich wirtschaftliche Vorteile erzielen lassen. Dabei werden heutzutage immer häufiger hochfeste Feinkornbaustähle mit (Mindest-) Fließgrenzen bis 690 MPa eingesetzt. Zur verbesserten Ausnutzung des Tragfähigkeitspotenzials geschweißter Profile aus diesen Stählen existieren keine geeigneten Modelle zur Erfassung der schweißfertigungsbedingten Eigenspannungen an realen Komponenten. Diese Daten werden durch konservative Annahmen angenähert. Die potentielle Tragfähigkeit geschweißter Konstruktionen wird daher in der Regel unterschätzt. Die Eigenspannungsannahmen in DIN EN 1993 basieren auf starken Vereinfachungen, bspw. im Rahmen sog. „Ersatzstabnachweise“. Diese setzen die Proportionalität der Eigenspannungsamplituden zur Fließgrenze voraus. Vergleichsrechnungen mit einem parametrisierten Eigenspannungsmodell zeigten mögliche Abweichungen in den berechneten Tragfähigkeiten über mehrere Knicklinien. Die Festlegungen hinsichtlich der anzuwendenden Knicklinie beeinflussen jedoch die Blechdicken und somit in erheblichem Maße auch die Fertigungskosten.
Als Optimierungsstrategie wurden in diesem Forschungsprojekt deswegen unterschiedliche anwendungsorientierte Modellansätze entwickelt, welche mithilfe nichtlinearer Traglastberechnungen, die höhere Ausnutzung von Tragfähigkeitsreserven ermöglichen sollen.
Forschungsziel war somit primär die Entwicklung und Bereitstellung entsprechender Berechnungsansätze. Experimentell wurde hierzu der Eigenspannungszustand von konventionell geschweißten Strukturen am Beispiel der im Stahlbau besonders häufig verwendeten I-Träger aus zwei gängigen Baustählen, einem unlegierten Baustahl S355J2+N und einem Feinkornbaustahl S690QL, erfasst und durch numerische Schweißstruktursimulationen ergänzt. Anschließend erfolgte die Ableitung eines vereinfachten Berechnungsmodells zur weiteren Berücksichtigung in nichtlinearen Tragfähigkeitsberechnungen. Die Erkenntnisse sollen in einen entsprechenden Anwenderleitfaden, herausgegeben durch das Technical Committee 8 der Europäischen Konvention für Stahlbau, einfließen und diesbezüglich als Orientierung einer möglichen zukünftigen Anpassung der Knicklinien in DIN EN 1993-1-1 dienen.
Im Projekt wurden die genannten Stähle in zwei typischen Dickenkombinationen von 25/15 mm und 20/10 mm (Gurt- und Stegbleche) zu Großprobekörpern „I-Träger“ unter industrienahen Fertigungsbedingungen mittels Metall-Aktivgasschweißen gefügt. Diese erzeugten die typischen Eigenspannungen, die in solchen Trägern nach der Fertigung vorliegen. Während des Schweißens wurden die Temperaturfelder durch Thermoelemente aufgezeichnet. Die Eigenspannungen wurden nach dem Schweißen experimentell durch eine Kombination aus mechanischem Zerlegen (Zerlegemethode) und anschließender mobiler Röntgendiffraktometrie (XRD) festgestellt. Der Einfluss der industriell üblichen Brennschnittkantenvorbereitung der Bleche auf die finalen
Eigenspannungszustände wurde experimentell zusätzlich an kleinmaßstäblichen Proben untersucht. Metallographische Analysen (Schliffbilder und Härtemessungen) komplettierten das experimentelle Programm der FE 2 (BAM, Berlin).
Die Ergebnisse zeigten, dass beim mechanischen Zerlegen bereits ein Großteil der Eigenspannungen herausgelöst wurde. Eine Aussage zu den nahtnahen Zugeigenspannungen war allerdings erst durch die Überlagerung mit der XRD möglich. Dabei zeigte der S690QL überwiegend ein besseres Verhalten als der S355J2+N, welches sich unter anderem in abgesenkten Zugeigenspannungen im Verhältnis zur jeweiligen Fließgrenze äußerte. Die maximalen Eigenspannungen wurden dabei zumeist in der Wärmeeinflusszone (WEZ) der Schweißnaht gemessen, unabhängig von der eingebrachten Streckenenergie oder der Festigkeit des Grundwerkstoffs. Die baupraktische Annahme, dass die maximalen Eigenspannungen in Höhe der Fließgrenze vorliegen können, wurde nur in Einzelfällen und nur für den S355J2+N bestätigt. Die experimentellen Ergebnisse zeigten für die Druckeigenspannungen ebenfalls reduzierte relative Eigenspannungswerte des S690QL. Dies zeigt die notwendige weitere Optimierung bei der Wahl der Bewertungsansätze für Eigenspannungen auf die Tragfähigkeit.
Die erzeugten Messwerte dienten im weiteren Verlauf als Eingangswerte für die Modellentwicklung und die numerischen Simulationen an I-Trägern durch die FE 1 (LSH, Cottbus). Die numerischen Schweißsimulationen erfolgten in Simufact.Welding® für die Simulationsmodelle mit „klassischem“ Schweißsimulationsansatz sowie in Ansys® für vereinfachte Simulationen und Näherungsansätze. Die Modelle lieferten insgesamt vergleichbare Ergebnisse für die Längseigenspannungen mit teils jedoch erheblichen Unterschieden in den Rechenzeiten. Durch eine angepasste Vernetzung konnte die Rechenzeit in allen Fällen deutlich reduziert werden. Aufgrund der verwendeten Bauteilgrößen ist die Anwendung der Modellierung mit Volumenelementen allerdings meistens nicht praktikabel. Für typische Trägerschweißungen bieten stattdessen Querschnittsmodelle mit der Annahme eines verallgemeinerten ebenen Verzerrungszustands eine mögliche Alternative. Der Abgleich der Ergebnisse mit den Experimenten lieferte zusammenfassend überwiegend gute bis befriedigende Übereinstimmungen. Die experimentell festgestellten Tendenzen wurden dabei in allen Fällen richtig vorhergesagt.
Eine umfassende Bewertung der erzielbaren Genauigkeiten war bisher nicht möglich. Dies lag einerseits daran, dass die Datendichte der mit der durch die Zerlegung gewonnen Ergebnisse gering war. Anderseits lieferten die überlagerten Ergebnisse mit der XRD in Teilen, insbesondere in den interessierenden Druckbereichen, widersprüchliche Aussagen zum Eigenspannungseinfluss, was bisher nicht abschließend geklärt werden konnte. Darüber hinaus entstanden etwaige Abweichungen in den Simulationen auch durch die zugrunde gelegten Materialdaten selbst. Diese entsprachen Standarddatensätzen aus Materialbibliotheken. Die Skalierung dieser erfolgte gleichmäßig über den gesamten Temperaturbereich. Insbesondere für den S690QL existierten zu wenige belastbare Materialkennwerte.
Entsprechende Versuche konnten im Rahmen dieses Vorhabens nicht mit durchgeführt werden.
Dennoch konnten hinsichtlich eines vereinfachten Berechnungsvorgehens zur Berücksichtigung der Schweißeigenspannungen in Tragfähigkeitsberechnungen einige wichtige Erkenntnisse gewonnen werden. Auf Basis der in den numerischen Schweißsimulationsmodellen ermittelten plastischen Dehnungsmuster, auch „Eigenspannungsquellen“, wurde eine vereinfachte Simulationsvorgehensweise vorgeschlagen und verifiziert. Die dabei eingeführten Vereinfachungen wurden im Hinblick auf die Berechnung ausschließlich der plastischen Längsdehnungen bzw. der Längseigenspannungen gewählt. Die Anwendbarkeit ist daher auf ausreichend lange Schweißträger mit Längsnähten beschränkt. Einige Modellmodifikationen zur weiteren Vereinfachung bzw. Modellimplementierung in die strukturmechanische Berechnung an großen Komponenten wurden vorgestellt. Abschließend erfolgt die Einstufung in eine mögliche Knicklinie auf Basis eines mittels GMNIA (geometrisch und materiell nichtlineare Analyse mit Imperfektionen) Berechnungen simulierten Streubands der Tragfähigkeiten mittels Abaqus® und Ansys®. Die anfängliche Hypothese einer günstigeren Knicklinie eines S690QL im Vergleich zum S355J2+N wurde dabei rechnerisch bestätigt. Der experimentelle Nachweis mittels entsprechender Trägerfähigkeitsversuche ist allerdings noch ausstehend.
Offshore wind turbines are an important goal in national energy strategies worldwide. Foundation structures are manufactured from submerged arc welded (SAW) plates with thicknesses up to 200 mm. In that connection, high-strength steels like the S420G2+M are more and more applied offering the possibility for increased stability and load-bearing capacity of the foundations. These offshore steel grades can show a susceptibility for delayed hydrogen assisted cold cracking of the weld joints. For that purpose, a minimum waiting time (MWT) of up to 48 h (dependent on applied standards) is recommended before non-destructive testing is allowed and conducted. But this concept is based on older steel grades that have been used for three or more decades. Nowadays, the metallurgical improvements (clean steels, proper rolling, and heat treatment) of base materials and well as welding consumables must be anticipated. Hence, the MWT concept should be critically discussed as it is assumed to be very conservative. For that reason, the focus of this study was to investigate the diffusion behavior in S420G2+M steel and its multi-layer SAW joint. Electrochemical permeation experiments were carried at room temperature. Boundary conditions were anticipated in terms of using different sample thicknesses. From the experimental data, hydrogen diffusion coefficients and absorbed diffusible hydrogen concentrations had been calculated. It was shown that hydrogen diffusion in the base material is increased compared to the weld metal. In addition, the sample thickness had a significant on the calculated diffusion coefficients. The minimum and maximum diffusion coefficients had been used for numerical modelling of the hydrogen diffusion in the welding joint. It became clear that a MWT must be always regarded together with a critical initial diffusible hydrogen concentration for the evaluation of a possible delayed cracking as diffusion times were mostly > 48 h due to the thick plates.
Für eine signifikante Festigkeitssteigerung von vergüteten, hochfesten Feinkornbaustählen mit einer Normstreckgrenze > 690 MPa, ist die Zugabe von Mikrolegierungselementen, wie Nb und Ti, unerlässlich. Die Normvorgaben zur chemischen Zusammensetzung dieser Stähle (bspw. in DIN EN 10025-6) geben zur Erzielung der vorgeschriebenen Eigenschaften dabei oft nur Grenzgehalte für die Hersteller vor. Die Wirkung der Legierungselemente bzw. ihrer Karbide und/oder Nitride ist teilweise komplett konträr, insbesondere bei Auflösung und Wiederausscheidung in der WEZ bei identischem Schweißzusatz. Somit wird eine adäquate Vorhersage der Chargenabhängigkeit hinsichtlich der Schweißeignung und des Tragverhaltens der Schweißverbindung erschwert. Zuzüglich können moderne Schweißprozesse, wie MSG mit modifiziertem Sprühlichtbogen (mod. SLB) durch ihre hohe Wärmeeinwirkung die Phasenumwandlung in der Wärmeeinflusszone negativ beeinflussen. Eine unerwünschte Eigenschaft ist dabei die Erweichung (engl.: softening) der WEZ, wie auch u.U. der gegenteilige Effekt der Aufhärtung (engl.: hardening). Vor diesem Hintergrund werden im Rahmen eines DFG-Vorhabens systematisch Mikrolegierungsrouten mit variierenden Ti- und Nb-Gehalten des hochfesten und vergüteten Feinkornbaustahls S690QL untersucht. Dazu wird das MAGSchweißen mit mod. SLB verwendet, welches durch hohe Abschmelzleistung gekennzeichnet ist und schmalere Fugenöffnungswinkel (α = 30°) ermöglicht. An diesen Schweißungen wird der Effekt der metallurgischen Zusammensetzung in Kombination mit hoher Wärmeeinwirkung auf die Ausbildung einer kritischen WEZ-Gefügezone mit Erweichung und/oder exzessiver Aufhärtung untersucht. Ein besonderes Augenmerk wird auf die Phasenumwandlungen und das Ausscheidungsverhalten im Gefüge der Wärmeeinflusszone gelegt. Neben umfangreichen metallographischen Untersuchungen einzelner WEZ-Bereiche wurden, unter Variation der chemischen Zusammensetzung, thermodynamische Phasenberechnungen mittels ThermoCalc durchgeführt. Hierdurch wird ein Verständnis zur Phasentransformation und Ausscheidungswachstum und -auflösung während des Schweißens in Abhängigkeit von Temperatur und Abkühlbedingungen geschaffen. Das Ziel ist es, mittels erster Untersuchungen den Einfluss der Wärmeeinwirkung auf die Gefügeausbildung in der WEZ zu zeigen. Insbesondere wird hier auf die Auswirkung der unterschiedlichen Mikrolegierungskonzepte (Ti oder Nb) geachtet.
High entropy alloys (HEA) are a new class of materials. In contrast to conventional alloys, HEA are single-phase alloys with at least five alloying elements. HEAs have enormous application potential due to (postulated) excellent structural property combinations from low to high temperatures. For HEA-application as structural materials in real components, a key issue is the suitability for joining processing. Requirements for the reliable and safe joining of these materials are crucial regarding economical component manufacture for future applications. In this context, friction stir welding (FSW) is a promising joining process due to the welding process temperature below the material melting point avoiding major issues, e. g. formation of (hard and brittle) intermetallic phases, which may have detrimental influences on the weld joint properties.
This study presents elementary research about the FSW process influences on a CoCrFeMnNi-HEA with focus on the microstructure and mechanical properties. For that purpose, the FSW joint of the HEA is compared to that of an austenitic stainless steel AISI 304. The microstructures of the welds were investigated and characterized by means of light microscopy, SEM, EBSD and XRD. Hardness and tensile testing were applied to determine influences on the mechanical properties. Generally, a comparable weldability of HEA and AISI 304 in terms of metallurgical characteristics and resulting mechanical properties exhibited. For the weld joints of both materials typical characteristics regarding FSW were observed within the weld metal and thermo-mechanically influenced zone: fine-grained stirred zone with increased hardness and reduced fracture elongation compared with the respective base material.
Die Herausforderungen für die Fügetechnikbranche, die sich durch die neuen Wasserstoff-Technologiefelder „Erzeugung“, „Speicherung“, „Transport“ und „Nutzung“ ergeben, sind sehr vielfältig. Der DVS-Bericht 373 gibt dazu einen tieferen Einblick. Der hier vorliegende Kurzbericht stellt dazu ausgewählte Praxisbeispiele, zugehörige Herausforderungen und sich ergebende Chancen vor. Fügetechnologien haben dabei wesentliche Bedeutung für das erfolgreiche Umsetzen und Herstellen der benötigten technischen Komponenten, wie anhand der Themenkomplexe „Wasserstoff-Pipelines“ und „additive Fertigung“ betrachtet wird. Zudem ergeben sich Herausforderungen für die notwendigen Regelwerke und Normen, die nahezu vollständig angepasst oder geschaffen werden müssen.
Fügetechnik für die neue Wasserstoffökonomie – Werkstoffe, Schweißtechnologien, Perspektiven –
(2021)
Die Studie gibt einen Überblick über die Aspekte der Fügetechnik und ihrer Bedeutung in Wasserstofftechnologien. Dazu werden die Grundlagen der Technologiefelder Wasserstofferzeugung, -speicherung, -transport und -nutzung vorgestellt und der Stand der Technik der fügetechnischen Fertigung von Komponenten in Wasserstofftechnologien zusammengefasst. Dabei werden nicht nur exklusiv Metalle betrachtet. Anhand repräsentativer Beispiele aus der Praxis, Forschung und Entwicklung wird die Bedeutung der Fügetechnik in Wasserstofftechnologien klar herausgestellt und mögliche Perspektiven für die Zukunft abgeleitet. Hier ist ersichtlich, dass Fügetechnologien wesentliche Bedeutung für die erfolgreiche Umsetzung von technischen Komponenten der Wasserstofftechnologien haben, von der Erzeugung bis zur Anwendung. Aus gesamtwirtschaftlicher Sicht umfassen die Schwerpunkte bzw. Trends der Fügetechnik dabei: die Erstellung neuer Infrastruktur für Wasserstoffspeicherung und -transport sowie die sichere Umnutzung der bestehenden Erdgasinfrastruktur. Bei der Wasserstoffanwendung wird die effiziente massentaugliche Produktion von Brennstoffzellen immer wichtiger. Es ist zudem klar ersichtlich, dass die additive Fertigung bereits jetzt ein hohes Potential für Komponenten von Wasserstofftechnologien besitzen und dieses wachsen wird. Aus den perspektivischen Anwendungen ergeben sich zudem Herausforderungen und Forschungsbedarfe für die notwendigen nationalen und internationalen Regelwerke und technischen Normen. Schwerpunktmäßig sind hierbei die bereits bestehenden Empfehlungen und kodifizierten Regeln vollständig zu adaptieren und in die Aus- und Weiterbildung von fügetechnischem Fachpersonal einzubetten.
Die Studie gibt einen kurzen Überblick über die jetzige Bedeutung der Fügetechnik in Wasserstofftechnologien und über zukünftige Forschungsbedarfe für die Branche in den einzelnen Technologiefeldern Wasserstofferzeu-gung, -speicherung, -transport und -nutzung. Fügetechnologien haben dabei wesentliche Bedeutung für die er-folgreiche Umsetzung von technischen Komponenten der Wasserstofftechnologien. Die Schwerpunkte bzw. For-schungsbedarfe ergeben sich bspw. durch die Erstellung neuer Infrastruktur für Wasserstoffspeicherung und -transport sowie durch Umnutzung der bestehenden Erdgasinfrastruktur. Bei der Wasserstofferzeugung und -anwendung wird z.B. die Entwicklung effiziente Massenproduktionsmethoden von Elektrolyseuren und Brennstoff-zellen einen wichtigen Meilenstein bilden und laserbasierte Fügetechnologien sind hier zum Teil schon etabliert. Die additive Fertigung nimmt dabei eine Querschnittsposition ein und besitzt hohes Anwendungspotential für die Zukunft z.B. für die Fertigung von Komponenten in Gasturbinen. Aus den technischen Fragestellungen und For-schungsbedarfen ergeben sich zudem Herausforderungen für die notwendige Neu- und Weiterentwicklung von technischen Regelwerken und Normen und den Eingang in die Aus- und Weiterbildung von fügetechnischem Fachpersonal.
Die Studie gibt einen kurzen Überblick über die jetzige Bedeutung der Fügetechnik in Wasserstofftechnologien und über zukünftige Forschungsbedarfe für die Branche in den einzelnen Technologiefeldern Wasserstofferzeugung, -speicherung, -transport und -nutzung. Fügetechnologien haben dabei wesentliche Bedeutung für die erfolgreiche Umsetzung von technischen Komponenten der Wasserstofftechnologien. Die Schwerpunkte bzw. Forschungsbedarfe ergeben sich bspw. durch die Erstellung neuer Infrastruktur für Wasserstoffspeicherung und -transport sowie durch Umnutzung der bestehenden Erdgasinfrastruktur. Bei der Wasserstofferzeugung und -anwendung wird z.B. die Entwicklung effiziente Massenproduktionsmethoden von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen einen wichtigen Meilenstein bilden und laserbasierte Fügetechnologien sind hier zum Teil schon etabliert. Die additive Fertigung nimmt dabei eine Querschnittsposition ein und besitzt hohes Anwendungspotential für die Zukunft z.B. für die Fertigung von Komponenten in Gasturbinen. Aus den technischen Fragestellungen und Forschungsbedarfen ergeben sich zudem Herausforderungen für die notwendige Neu- und Weiterentwicklung von technischen Regelwerken und Normen und den Eingang in die Aus- und Weiterbildung von fügetechnischem Fachpersonal.
Der Vortrag gibt einen kurzen Überblick über die Bedeutung der Fügetechnik in Wasserstofftechnologien und über zukünftige Herausforderungen. Fügetechnologien, insbesondere die Schweißtechnik, haben dabei wesentliche Bedeutung für die Umsetzung von technischen Komponenten der Wasserstofftechnologien. Forschungsschwerpunkte ergeben sich insbesondere für die Erzeugung und den Transport des Wasserstoffs.
Der Vortrag gibt einen kurzen Überblick über die Bedeutung der Fügetechnik in Wasserstofftechnologien und über zukünftige FuE-Bereiche. Fügetechnologien haben dabei wesentliche Bedeutung für die Umsetzung von technischen Komponenten der Wasserstofftechnologien. Forschungsschwerpunkte ergeben sich insbesondere für die Erzeugung und den Transport des Wasserstoffs.
This presentation summarizes the latest results on the BAM-Themenfeld project SURDIA on processing of high-entropy alloys (HEAs) at BAM. At first, the influence of machining by ultrasonic-assisted milling on the surface integrity is presented. Second, the weld processing by Tungsten Inert Gas (TIG) welding is presented and the results of the Friction Stir Welding (FSW), which is conducted at BAM for the first time.
The hydrogen economy requires large-scale storage and transportation options like long-distance transmission pipelines. The applied materials (typically steels) must be carefully tested under different conditions (pressure, temperature, impact of impurities, etc.) for their suitability and service with hydrogen. In combination with mechanical load, as occurs in every gas network, hydrogen can induce degradation of the mechanical properties and promote finally resulting in embrittlement, i.e., the formation of cracks. The conventional testing procedures consist of autoclaves in which samples are strained under pressurized hydrogen. The test apparatus requires large amounts of hydrogen and thus a high level of safety and costs. In very specific cases, these tests might be replaced by simplified electrochemical charging. However, these test alternatives raise several questions regarding the equivalency of both testing scenarios. In the early 1980’s the idea of a so-called hollow tensile sample raised and was reinitiated 2021 in ISO TC 164 by T. Ogata (NIMS, Japan) and further developed (e.g. by Fraunhofer IWM, Germany). The idea was: the sample itself represents the autoclave instead of charging a sample from outside. For that reason, a hole is drilled through the sample and the inner surface is pressurized by hydrogen gas during the mechanical testing. Indeed, this represents the main advantage as no expensive pressure-resistant autoclave equipment for large H-volumes is necessary, which significantly reduces the safety-related issues and thus the high costs. In the following, we show recent activities at BAM Berlin on adaption of the hollow-specimen technique for slow strain rate testing (SSRT). The current research activities are focussed on macroscopic influences like the sample geometry, minimum necessary dimensions, and microscopic influences e.g., on the surface by the processing method (drill hole quality and geometric precision) as well as the gas pressure effect (mechanical deformation of surface in different media).
Hydrogen absorption and diffusion in T24 steel weld joints and effect on mechanical properties
(2018)
The present contribution summarizes results obtained from experiments with low-alloyed boiler steel grades T24 (CrMoV alloy), T22 (CrMo) and thermally simulated T24 HAZ microstructure and pure weld metal. The hydrogen absorption and diffusion behavior was investigated by permeation experiments and thermal desorption analysis (TDA). The results showed significant weld microstructure influence on diffusion by hydrogen trapping. Trapped hydrogen was determined in the T24 BM at temperatures up to 120 °C compared to 75 °C in the T22. In addition, the T24 HAZ showed decreased diffusion coefficients (at room temperature) of approximately one magnitude compared to the BM. For the mechanical properties, tensile tests were conducted with electrochemically hydrogen charged specimens and compared to results obtained from slow strain rate tests (SSRT) in high-temperature water up to 200 °C. The as-welded HAZ had remarkably increased susceptibility compared to the BM already at low hydrogen concentration of 1-2 ppm. The SSRT were conducted for free corrosion and acidic environment and confirmed this behavior at elevated temperatures for both HAZ microstructures of T24 and T22. Summarized, each weld microstructure has specific diffusion coefficients and shows different susceptibility to degradation of the mechanical properties, i.e. delayed hydrogen assisted cracking or stress corrosion cracking.
Hydrogen absorption and diffusion in T24 steel weld joints and effect on mechanical properties
(2018)
The present contribution summarizes results obtained from experiments with low-alloyed boiler steel grades T24 (CrMoV alloy), T22 (CrMo) and thermally simulated T24 HAZ microstructure and pure weld metal. The hydrogen absorption and diffusion behavior was investigated by permeation experiments and thermal desorption analysis (TDA). The results showed significant weld microstructure influence on diffusion by hydrogen trapping. Trapped hydrogen was determined in the T24 BM at temperatures up to 120 °C compared to 75 °C in the T22. In addition, the T24 HAZ showed decreased diffusion coefficients (at room temperature) of approximately one magnitude compared to the BM. For the mechanical properties, tensile tests were conducted with electrochemically hydrogen charged specimens and compared to results obtained from slow strain rate tests (SSRT) in high-temperature water up to 200 °C. The as-welded HAZ had remarkably increased susceptibility compared to the BM already at low hydrogen concentration of 1-2 ppm. The SSRT were conducted for free corrosion and acidic environment and confirmed this behavior at elevated temperatures for both HAZ microstructures of T24 and T22. Summarized, each weld microstructure has specific diffusion coefficients and shows different susceptibility to degradation of the mechanical properties, i.e. delayed hydrogen assisted cracking or stress corrosion cracking.
Aircraft main landing gear (MLG) components are commonly manufactured from low-alloyed, martensitic, ultra-high strength steels (UHSS) that have to be coated for corrosion protection, representing an expensive and environmentally harmful production step. To avoid already partly banned corrosion protection plating, the new high-alloyed UHSS, Ferrium S53 (UNS S10500), has been designed to replace lowalloyed legacy materials and has been subjected to a limited field test over five years. As with the legacy alloys, UNS S10500 has a fully hardened martensitic microstructure known to be susceptible to hydrogen assisted cracking, per se. Containing about 10 wt% Cr, steels such as S10500 are at the lower limit for corrosion resistant alloys. Similar to super-martensitic stainless steels used in the oil and gas industry, a common failure sequence in marine environments represents pitting and subsequent hydrogen assisted stress corrosion cracking (HASCC). For addressing such phenomena quantitively, as required for respective lifetime assessments of MLG components and systems, the tolerance of such materials dependent on the absorbed hydrogen concentration must be evaluated quantitatively. However, there is a lack of such valuable materials data, as well as of the fractographic behavior dependent on the hydrogen concentration that might be absorbed during HASCC. To provide an improved understanding of the hydrogen dependent mechanical and fractographic behavior, samples of the legacy AISI 4340 and the new S10500 MLG steels have electrochemically been hydrogen-saturated and subjected to tensile testing. In contrast to a previous study, this contribution for the first time focuses on materials that have been salvaged from real service used landing gear components. In this study, it has been demonstrated that the service-applied S10500 steel has not only a higher strength, but also an improved ductility in comparison to the legacy AISI 4340 steel after similar service durations that provides a higher tolerance against hydrogen concentrations that might be absorbed during potential pitting and HASCC in marine environments. In addition, it has been found that the absorbed hydrogen concentration significantly affects the fracture behavior. Interestingly, hardening of the hydrogen charged low-alloyed AISI 4340 steel changes the fracture topography from trans- toward intergranular, while hardening of the S10500 steel turned the fracture topography from inter- to transgranular at respectively high hydrogen concentrations.
Carrier gas hot extraction (CGHE) is a commonly applied technique for determination of hydrogen in weld joints using a thermal conductivity detector (TCD) for hydrogen measurement. The CGHE is based on the accelerated hydrogen effusion due to thermal activation at elevated temperatures. The ISO 3690 standard suggests different specimen geometries as well as necessary minimum extraction time vs. temperature. They have the biggest influence on precise hydrogen determination. The present study summarizes the results and experience of numerous test runs with different specimen temperatures, geometries (ISO 3690 type B and small cylindrical samples), and factors that additionally influence hydrogen determination. They are namely specimen surface (polished/as-welded), limited TCD sensitivity vs. specimen volume, temperature measurement vs. effects of PI-furnace controller, as well as errors due to insufficient data assessment. Summarized, the temperature is the driving force of the CGHE. Two different methods are suggested to increase the heating rate up to the desired extraction temperature without changing the experimental equipment. Suggestions are made to improve the reliability of hydrogen determination depended on the hydrogen signal stability during extraction accompanied by Evaluation of the recorded data. Generally, independent temperature measurement with dummy specimens is useful for further data analysis, especially if this data is used for calculation of trapping kinetics by thermal desorption analysis (TDA).
High-entropy alloys (HEAs) are innovative high-performance materials that have attracted more and more research attention. HEAs are characterized by a solid solution of typically five equiatomic metallic elements. In addition, medium-entropy alloys (MEA, with three elements) are of interest and become more and more important. Depending on the alloy concept, HEAs and MEAs show exceptional mechanical properties, especially high-strength and ductility combinations at both cryogenic and elevated temperatures combined with excellent corrosion resistance. Future structural HEA/MEA components can be exposed to potential applications with hydrogen containing environments like high-temperature water in pressurized nuclear reactors or aerospace structures. Other potential applications could be in materials for vessel walls in the field of cryogenic and high-pressure hydrogen storage. So far, the susceptibility of HEAs/MEAs to hydrogen assisted cracking (if any) and the hydrogen diffusion is not investigated in detail yet and can limit or extend possible applications of HEA/MEA as structural materials. In our work, we focused on the hydrogen absorption, diffusion, and distribution in a HEA (CoCrFeMnNi the original Cantor-alloy) and a MEA (CoCrNi). Cathodic hydrogen charging was carried out for the hydrogen ingress, and thermal desorption analysis (TDA) revealed complex hydrogen trapping in both alloy types up to 300 °C. The absorbed total hydrogen concentrations were > 100 ppm for the HEA and > 40 ppm for MEA. In addition, the assessment of the peak deconvolution is not trivial and must consider both experimental and microstructure influences.
High-entropy alloys (HEAs) are characterized by a solid solution of minimum five and medium-entropy alloys (MEAs) of minimum three principal alloying elements in equiatomic proportions. They show exceptional application properties, such as high-strength and ductility or corrosion resistance. Future HEA/MEA-components could be exposed to hydrogen containing environments like vessels for cryogenic or high-pressure storage where the hydrogen absorption and diffusion in these materials is of interest. In our study, we investigated the HEA Co20Cr20Fe20Mn20Ni20 and the MEA Co33.3Cr33.3Ni33.3. For hydrogen ingress, cathodic charging was applied and diffusion kinetic was measured by high-resolution thermal desorption spectros-copy using different heating rates up to 0.250 K/s. Peak deconvolution resulted in high-temperature desorption peaks and hydrogen trapping above 280 °C. A total hydrogen concentration > 40 ppm was identified for the MEA and > 100 ppm for HEA. This indicates two important effects: (1) delayed hydrogen diffusion and (2) considerable amount of trapped hydrogen that must be anticipated for hydrogen assisted cracking phenomenon. Local electrochemical Volta potential maps had been measured for the hydrogen free condition by means of high-resolution Scanning Kelvin Probe Force Microscopy (SKPFM).
Welded components of P91 9% Cr steel demand for careful welding fabrication with necessary post weld heat treatment (PWHT). Before the PWHT, a hydrogen removal heat treatment is necessary for avoidance of hydrogen assisted cracking (HAC). In this context, the microstructure and temperature-dependent hydrogen diffusion is important, and reliable diffusion coefficients of P91 weld metal are rare. For that reason, the diffusion behavior of P91 multi-layer weld metal was investigated for as-welded (AW) and PWHT condition by electrochemical permeation experiments at room temperature and carrier gas hot extraction (CGHE) from 100 to 400 °C. Hydrogen diffusion coefficients were calculated, and the corresponding hydrogen
concentration was measured. It was ascertained that both heat treatment conditions show significant differences. At room
temperature the AW condition showed significant hydrogen trapping expressed by to seven times lower diffusion coefficients. A preferred diffusion direction was found in perpendicular direction expressed by high permeability. The CGHE experiments
revealed lower diffusion coefficients for the AW condition up to 400 °C. In this context, a hydrogen concentration of approximately 21 ml/100 g was still trapped at 100 °C. For that reason, a certain HAC susceptibility of as-welded P91 weld metal cannot
be excluded, and hydrogen removal should be done before PWHT.
9 %-Cr steel P91 is widely used in power plants due to the excellent creep-resistance. Components of this steel are typically welded and demand for careful welding fabrication, whereas a so-called post weld heat treatment (PWHT), must be conducted to increase the toughness and decrease the hardness of the martensitic as-welded (AW) microstructure. Before the PWHT, a hydrogen removal (or dehydrogenation) heat treatment is necessary as hardened AW martensitic microstructure is generally prone to delayed hydrogen assisted cracking (HAC). The microstructure and temperature dependent hydrogen diffusion is an important issue as it determines how long a potential crack-critical hydrogen concentration could remain in the microstructure. In this context, reliable hydrogen diffusion coefficients of P91 weld metal are rare. Hence, the diffusion behavior of P91 multi-layer weld metal was investigated in two different microstructure conditions: AW and further PWHT (760 °C for 4 h). Two different experimental techniques were used to cover a wide range of hydrogen diffusion temperatures: the electrochemical permeation technique (PT) at room temperature and the carrier gas hot extraction (CGHE) for a temperature range from 100 to 400 °C. From both techniques typical hydrogen diffusion coefficients were calculated and the corresponding hydrogen concentration was measured. It was ascertained that both heat treatment conditions show significant differences in hydrogen diffusivity. The biggest deviations were identified for room temperature. In this case, the AW condition shows significant hydrogen trapping and up to seven times lower diffusion coefficients. Additionally, PT investigations showed a preferred diffusion direction of hydrogen in the weld metal expressed by the diffusion coefficients and the permeability for both heat treatment conditions. The CGHE generally revealed lower diffusion coefficients for the AW microstructure up to 200 °C. In addition, the AW condition showed hydrogen concentrations up to 50 ml/100 g (considering electrochemical charging). Nonetheless, this hydrogen was not permanently (reversibly) trapped. Nonetheless, this temperature is approximately 100 °C below recommended dehydrogenation heat treatment (DHT). This has two main consequences: (I) in case of welding is interrupted or no DHT is conducted, a HAC susceptibility of hardened martensitic P91 weld metal cannot be excluded and (II) DHT can be conducted at temperatures around 200 °C below the recommended temperatures.
Martensitic 9% Cr steels like P91 and P92 can show an increased susceptibility to delayed hydrogen-assisted cracking. The focus of this study was the microstructure and heat treatment efect on the mechanical properties of P92 base material and P91 multi-layer weld metal in both as-welded and post weld heat treated (PWHT) condition. Tensile tests with hydrogen free reference samples and electrochemically hydrogen charged samples were carried out; the mechanical properties were assessed and supported by detailed fractographic analysis. Finally, a hydrogen and microstructure-dependent fracture criterion is established. All investigated microstructures showed a hydrogen-infuenced degradation of the mechanical properties compared to the hydrogen-free reference samples. The as-welded martensitic P91 weld metal had the highest degree of degradation in the presence of hydrogen. The P91 PWHT weld metal and the P92 base material had comparable properties. From that point of view, a signifcantly increased risk for hydrogen-assisted cold cracking during welding fabrication of P91 weld joints must be considered before any heat treatment is conducted.
Martensitic 9 %-Cr steels like P91 and P92 can show an increased susceptibility to delayed hydrogen assisted cracking. The focus of this study was the microstructure and heat treatment effect on the mechanical properties of P92 base material and P91 multi-layer weld metal in both as-welded and post weld heat treated (PWHT) condition.
Tensile tests with hydrogen free reference samples and electrochemically hydrogen charged samples were carried out, the mechanical properties were assessed and supported by dedicated fractographic analysis. In addition, hydrogen and microstructure dependent fracture criteria were calculated. All investigated microstructures showed a hydrogen influenced degradation of the mechanical properties compared to the hydrogen free reference samples. In that connection, the as welded martensitic P91 weld metal had the highest degree of degradation in presence of hydrogen. The P91 PWHT weld metal and the P92 base material had comparable properties. From that point of view, a significantly increased risk for hydrogen assisted cold cracking during welding fabrication of P91 weld joints must be considered before any heat treatment is conducted.
Hydrogen was once called “the versatile embrittler” [1], which summarizes very well the effect on reduction of ductility and/or toughness in technical alloys like steel. In that connection, welding is one of the most important component fabrication technologies. During welding, hydrogen can be transferred to the weld pool from manifold sources (like contaminations, residuals at the surface, etc.). As hydrogen embrittles a material, the safety of welded components with hydrogen is always a critical issue. Weld heat input causes additional changes in the microstructure like grain growth or partial dissolution of precipitates and many more. All these things influence the mechanical properties and also represent hydrogen traps. These traps decrease the hydrogen diffusion compared to the ideal lattice. The result can be so-called delayed hydrogen assisted cracking (HAC) of the weld joint due to the significantly decreased diffusivity by trapped hydrogen. This is often an underestimated risk as those cracks can appear in the weld joint even after some days!
It is essential to know about hydrogen ingress during welding and the microstructure specific hydrogen diffusion. Both are depended on weld parameter influence and the chemical composition of the base material and weld metal. For that purpose, gas analytic methods like solid-state carrier gas hot extraction (CGHE) are useful tools to: (1) identify detrimental hydrogen concentrations from weld joints, (2) binding energies from hydrogen traps by thermal desorption analysis or (3) high-temperature diffusion coefficients. Those values are extremely important for welding practice in terms of recommendations on realistic hydrogen removal heat treatment (HRHT) after welding. Considering the increasing use of “digital” experiments, the data is also needed for reliable numerical simulations of HAC process or HRHT-effectiveness.
The present contribution gives an overview on the influence of hydrogen on weld joints, the necessity, methods and standards for hydrogen determination (CGHE) with the aim of fabrication of safe welded and crack-free components.
[1] R. A. Oriani (1987), Corrosion 43(7):390-397. doi: 10.5006/1.3583875
A common approach to describe hydrogen traps is by their activation energy that is necessary to release hydrogen from the trap. In the present study, Cr-Mo-V steel T24 (7CrMoVTiB10-10) base material and TIG weld metal were investigated. Electrochemically hydrogen charged specimens were analyzed by thermal desorption analysis (TDA) with different linear heating rates. The results show two different effects. At first, the microstructure effect on trapping is evident in terms of higher hydrogen concentrations in the weld metal and increased activation energy for hydrogen release. Secondly, it is necessary to monitor the real specimen temperature. A comparison between the adjusted heating rate and the real specimen temperature shows that the calculated activation energy varies by factor two. Thus, the trap character in case of the base material changes to irreversible at decreased temperature. Hence, the effect of the experimental procedure must be considered as well if evaluating TDA results.
High-strength structural steels are used in machine, steel, and crane construction with yield strength up to 960 MPa. However, welding of these steels requires profound knowledge of three factors in terms of avoidance of hydrogen-assisted cracking (HAC): the interaction of microstructure, local stress/strain, and local hydrogen concentration. In addition to the three main factors, the used arc process is also important for the performance of the welded joint. In the past, the conventional transitional arc process (Conv. A) was mainly used for welding of high-strength steel grades. In the past decade, the so-called modified spray arc process (Mod. SA) has been increasingly used for welding production. This modified process enables reduced seam opening angles with increased deposition rates compared with the Conv. A. Economic benefits of using this arc type are a reduction of necessary weld beads and required filler material. In the present study, the susceptibility to HAC in the heat-affected zone (HAZ) of the high-strength structural steel S960QL was investigated with the externally loaded implant test. For that purpose, both Conv. A and Mod. SA were used with same heat input at different deposition rates. Both conducted test series showed same embrittlement index “EI” of 0.21 at diffusible hydrogen concentrations of 1.3 to 1.6 ml/100 g of arc weld metal. The fracture occurred in the HAZ or in the weld metal (WM). However, the test series withMod. SA showed a significant extension of the time to failure of several hours compared with tests carried out with Conv. A.
High-strength low-alloyed (HSLA) steels with yield strength ≥ 690 MPa are gaining popularity in civil engineering and construction of heavy vehicles. With increasing yield strength, the susceptibility for degradation of the mechanical properties in the presence of diffusible hydrogen, i.e., hydrogen-assisted cracking (HAC), generally increases. HAC is a result of the critical interaction between local microstructure, mechanical load, and hydrogen concentration. In existing standards for welding of HSLA-steels, recommendations including working temperatures and dehydrogenation heat treatment (DHT) are given to Limit the amount of introduced hydrogen during welding. These recommendations are based on investigations into conventional arc welding processes. In the past decade, modern weld technologies were developed to enable welding of narrower weld seams with V-grooves of 30°, e.g., the modified spray arc process. In that connection, a reduced number of weld runs and weld volume are important technical and, economic benefits. In the present study, the hydrogen distribution in S960QL multi-layer welds with thickness of 20 mm was analyzed. The influence of different weld seam opening angles, heat input, working temperature and DHT were investigated. The results show that weldments with narrow grooves contained an increased amount of diffusible hydrogen. Hydrogen concentration has been reduced by decreasing both the heat input and working temperature. Hydrogen-free weldments were only achieved via subsequent DHT after welding. Furthermore, hydrogen distribution was experimentally determined across the weld seam thickness in HSLA gas metal arc welded multi-layer welds for the first time.
High- and medium-entropy alloys (HEAs) are a quite new class of materials. They have a high potential for applications from low to high temperatures due to the excellent combination of their structural properties.
Concerning their application as components; processing properties, such as machinability, have hardly been investigated so far. Hence, machinability analyses with a focus on the influence of the milling process and its basic parameters (cutting speed, feed per cutting edge) on the resulting surface integrity of specimens from an equiatomic high- (CoCrFeMnNi) and a medium- (CoCrNi) entropy alloy have been carried out. A highly innovative milling process with ultrasonic assistance (USAM) was compared to conventional milling processes.
Recent studies have shown that USAM has a high potential to significantly reduce the mechanical load on the tool and workpiece surface during milling. In this study, the basic machining and ultrasonic parameters were systematically varied. After machining, the surface integrity of the alloys was analyzed in terms of topography, defects, subsurface damage, and residual stresses. It was observed that USAM reduces the cutting forces and increases the surface integrity in terms of lower tensile residual stresses and defect density near the surfaces for the CoCrFeMnNi alloy. It was shown that the cutting forces and the metallurgical influence in the sub surface region are reduced by increasing the cutting speed and reducing the feed rate per cutting edge. With the CoCrNi alloy, the tool revealed severe wear. As a result, for this alloy no influence of the parameters on the machinability could be determined.