Teilprojekt A9: ab initio basierte Mesoskalensimulation der Wasserstoffversprödung

A9

Prof. Dr. rer. nat. J. Neugebauer (Max-Planck Institut für Eisenforschung, Düsseldorf)

Dr. rer. nat. R. Spatschek (Max-Planck Institut für Eisenforschung, Düsseldorf)

 

Ziel ist ein vertieftes skalenübergreifendes Verständnis der Wasserstoffversprödung, die insbesondere bei hochfesten Stählen zu fatalem Materialversagen führen kann. Ausgehend von auf der ab initio Ebene identifizierten Mechanismen, thermodynamischen und kinetischen Ma­te­ri­al­pa­ra­me­tern soll der Einfluss komplexer Ver­setzungs­struk­tu­ren, der Hydridbildung und Wasser­stoff­reicherungen sowie verschiedener mechanischer Be­lastungs­szenarien auf die Rissausbreitung auf größeren Skalen im Vergleich verschiedener Erklärungsansätze für die Versprödung vorhergesagt werden.

 

 

 

 

A9

 

 

 

 

 

 

 

 

Teilprojekt A9

 

Zentrale Resultate der zweiten Phase des SFB (=1. Antragsphase)

 

1) Themenkomplex Wasserstoff

·      Die Löslichkeitsgrenze von Wasserstoff in Metallen ist an freien Oberflächen um bis zu zwei Größenordungen reduziert. Dadurch kann insbesondere lokale versprödende Hydridbildung an Rissen begünstigt werden, auch in nicht-hydridbildenden Systemen, im Sinne eines HEDE-Mechanismus (“hydrogen enhanced decohesion”). Experimentelle Ergebnisse zu Löslichkeitsgrenzen in dünnen Nb-Filmen konnten als Benchmark im Rahmen der ab initio-Meskalentheorie quantitativ erklärt werden. Kooperation A2.

·      Eine skalenübergreifende Beschreibung der Nanohydridbildung in den tensilen Feldern von Stufenversetzungen sagt die Hydridgröße und Stapelfehlerbildung als Funktion von Wasserstoffkonzentration und Temperatur vorher. Es ergibt sich ein scharfer Übergang zwischen hydridbildenden und nicht-hydridbildenden Bereichen, mit direkten Auswirkungen auf den HELP-Mechanismus („hydrogen enhanced localized plasticity“) der Wasserstoffversprödung.

·      Ab-initio Beschreibung von Wasserstoff in Hoch-Mangan-Stählen sagt eine Anlagerung von Wasserstoff in Oktaederlücken in einer manganreichen Umgebung voraus. Dieser Effekt wird primär durch volumetrische Effekte erklärt. Kooperation A1, A2.

·      Monte-Carlo-Simulationen zur Nanohydridbildung konnten in eine Kontinuumsformulierung im Sinne eines Phasenfeldmodells überführt werden. Dieser Skalensprung spielt eine Schlüsselrolle für die Vorhersage von Versagensmechanismen in der 3. Phase. Kooperation A2.

 

2) Themenkomplex Mikrostruktur

·      Multiskalensimulation von Schmelzen entlang von Korngrenzen als Mechanismus der Flüssigmetallversprödung. Kongrenzen-Premelting beschleunigt diesen Versagensmechanismus erheblich und führt zu temperatur- und misorientierungsabhängiger Korngrenzenbenetzung. Effektive Beschreibungen dieser Phänomene auf der Mesoskala wurden anhand von Phasenfeldbeschreibungen gewonnen.

·      Plastisches Verhalten von Eisen bei hohen Temperaturen: Nahe dem Schmelzpunkt reine Stufenversetzungen an symmetrischen (100) Korngrenzen, bei niedrigen Temperaturen zusätzlicher alternierender Schraubenanteil („Un-Pairing“). Die Resultate aus Amplitudengleichungssimulationen stimmen mit atomistischen Vorhersagen überein. Gekoppelte Korngrenzenbewegung und -rotation als Mechanismus plastischer Deformation. Kooperation A10, C6.

·      Hochtemperatur-Betrachtung von Gamma-Oberflächen. Analytische Vorhersage führt zu erheblicher Reduktion des numerischen Aufwandes und erlaubt Vorhersage allgemeiner Symmetrieprinzipien.

·      Mesoskalenbeschreibung peritektischer Erstarrung mittels Greensfunktionsmethoden, komplementär zu Phasenfeldsimulationen in Teilprojekt A6. Der Übergang zwischen dendritischen und zellulären Mikrostrukturen wurde erklärt.

 

[1]       T.Hickel; R. Nazarov; E. J.  McEniry; G. Leyson; B. Grabowski; J. Neugebauer, Ab Initio Based Understanding of the Segregation and Diffusion Mechanisms of Hydrogen in Steels, JOM, 2014, vol. 66, pp. 1399. TP Kooperation: A2

[2]       J. von Appen, R. Dronskowski, A. Chakrabarty, T. Hickel, R. Spatschek, J. Neugebauer, Impact of Mn on the solution enthalpy of hydrogen in austenitic Fe-Mn alloys: a first-principles study, J. Comp. Chemistry DOI: 10.1002/jcc.23742. TP Kooperation: A1, A2

[3]       R. Spatschek, A. Adland, A. Karma: Structural short-range forces between solid-melt interfaces, Phys. Rev. B, 2013, vol. 87, pp. 024109

[4]       C. Hüter, F. Twiste, E. A. Brener, J. Neugebauer, R. Spatschek: Influence of short-ranged forces on melting along grain boundaries, Phys. Rev. B, 2014, vol. 89, pp. 224104

[5]       V. S. P. K. Bhogireddy, C. Hüter, J. Neugebauer, I. Steinbach, A. Karma, R. Spatschek: Phase-field modelling of grain boundary premelting using obstacle potentials, Phys. Rev. E. 2014, vol. 90, pp. 012401

[6]       C. Hüter, C.-D. Nguyen, R. Spatschek, J. Neugebauer: Scale bridging between atomistic and mesoscale modeling: applications of amplitude equation description,  Modelling Simul. Mater. Sci. Eng. 2014, vol. 22, pp. 034001

[7]       G. Boussinot, C. Hüter, R. Spatschek, E. A. Brener: Isothermal solidification in peritectic systems, Acta Mat., 2014, vol. 75, pp 212

[8]       T. Gebhardt, D Music, M. Ekholm, I. A. Abrikosov, L. Vitos, A. Dick, T. Hickel, J. Neugebauer, J. M. Schneider: The influence of additions of Al and Si on the lattice stability of fcc and hcp Fe-Mn random alloys, J. Phys.: Cond. Mat., 2011, vol 23, pp. 246003. TP Kooperation: A2, C3

[9]       G. P. M. Leyson; B. Grabowski; J. Neugebauer; Multiscale description of dislocation induced nano-hydrides, eingereicht bei Acta Mat.

[10]    C. Hüter, J. Neugebauer, G.Boussinot, B. Svendsen, U. Prahl, R. Spatschek, Modeling of Grain Boundary Dynamics using Amplitude Equations, eingereicht bei Cont. Mech. Thermodynamics. TP Kooperation: A10, C6

[11]    R. Spatschek, A. Chakrabarty, U. Aydin, J. Neugebauer, Coherent elastic solubility limit modification at surfaces and interfaces, in Vorbereitung. TP Kooperation: A2

[12]    D. Korbmacher, R. Spatschek, J. von Pezold, C. Hüter, S. Brinckmann, and J. Neugebauer: Modeling of phase equilibria in Ni-H: Bridging the atomistic with the continuum scale, in Vorbereitung. TP Kooperation: A2

 

 

 

A9

Teilprojekt A9

 

Geplante  Projekte für die dritte Phase des SFB

 

Ziel ist ein vertieftes skalenübergreifendes Verständnis der Wasserstoffversprödung, die insbesondere bei hochfesten Stählen zu fatalem Materialversagen führen kann. Ausgehend von auf der ab initio Ebene identifizierten Mechanismen, thermodynamischen und kinetischen Materialparametern soll der Einfluss komplexer Versetzungsstrukturen, der Hydridbildung und Wasserstoffreicherungen sowie verschiedener mechanischer Belastungsszenarien auf die Rissausbreitung auf der mesoskopischen Skala im Vergleich verschiedener Erklärungsansätze für die Versprödung vorhergesagt werden.

 

1)    Thermodynamik der Wasserstoffversprödung

·      Geometrische Einflüsse: Wie wirken sich Kerben und Rissspitzen auf die lokale Hydridbildung aus? Skalenübergreifende Löslichkeitstheorie + FEM

·      Mechanische Belastungen: Wie beeinflussen externe Vespannungen durch Spannungskonzentrationen die Wasserstoffanreicherung und lokale Hydridbildung? FEM

·      Materialeigenschaften: Welche Rolle spielt die Konzentrationsabhängigkeit elastischer Konstanten, Anisotropie? Vergleich mit Dünnfilmexperimenten: ab initio + Löslichkeitstheorie + FEM

·      Oberflächeneffekte: Grenzflächenenergien, heterogene Nukleation, Griffithschwelle: ab initio + Kontinuumstheorie

·      Legierungen:  Was ist der Einfluss von Mn, Al auf die Hydridbildung? Unterdrücken Oxidfilme & Karbide die Wasserstoffanreicherung? ab initio + Kontinuumstheorie

·      Plastizität und Inkohärenz: Wie wirken sich Relaxationen an Phasengrenzen in hochfesten Stählen aus? FEM

 

2)    Kinetik der Wasserstoffversprödung

·       H-Diffusionskoeffizienten unter Verspannung in Legierungen: ab initio + Monte Carlo

·       Nukleation: Wie wirken sich Diffusion und Hydridnukleation auf die verzögerte Rissbildung aus? Monte-Carlo + Cahn-Hilliard

·       Wasserstoffanreicherung an Rissen: Wie wirkt sich die endliche Diffusionsgeschwindigkeit auf die Risskinetik aus? Bruchtheorie + Cahn-Hilliard

·       Versagensmechanismen + Schädigung: Was ist die Relevanz von HELP, HEDE, mikroskopischer und mesoskopischer Hydridbildung für die Wasserstoffversprödung in Hoch-Mangan-Stählen? Wie übertragen sich die Vorhersagen zur Mikrorissbildung auf eine effektive RVE-Beschreibung? Skalenübergreifende Modellierung (ab initio, Monte Carlo, Kontinuum) + Homogenisierung

 

Zentrale Kooperationen innerhalb des SFB sind daher:

A1: Kohärente Grenzflächen

A2: Ab initio Simulationen von Legierungen, endliche Temperaturen, Vakanzen, Magnetismus

A5: Phasenfeldmodellierung

A7: Plastizität & Schädigung

A8: Peritektische Erstarrung, Phasenfeld-Rissbildung

A10: Mikroskopische Phasenfeld- und Amplitudengleichungssimulationen zur Plastizität

C6: Fundamentale und phänomenologische Aspekte der Wasserstoffversprödung. Leitung Cloud III

T4: FeMn-Stähle, Karbide + Wasserstoff

 

 

 

Bisherige Phase

Hochmanganhaltige austenitische Stähle zeigen eine ausgeprägte Anfälligkeit für wasserstoffinduzierte Versprödung, was die technologische Anwendbarkeit dieses vielversprechenden Materialsystems erschwert. Der Ursprung dieser Versprödungserscheinungen ist bisher weitgehend ungeklärt. In diesem Teilprojekt soll daher ein Multiskalenansatz zur Untersuchung der gängigen Versprödungsmechanismen in FeMn-Stählen entwickelt werden. Insbesondere soll das slip-Modell, das die Versprödung durch eine H-induzierte Spannungskonzentration an pile-up (Versetzungsaufstauungen) Spitzen erklärt, durch Bestimmung der zugrunde liegenden Mechanismen untersucht und quantifiziert werden.

Im ersten Abschnitt dieses Projekts sollen dazu die elementaren Kenngrößen der Wasserstoffversprödung in einer austenitischen Eisen- und Eisen-Mangan-Matrix ab initio bestimmt werden. Die Bildung von pile-up Strukturen ist auf Grund des erschwerten Quergleitens besonders bei niedrigen Stapelfehlerenergien (SFE), welche für die Erzielung des TWIP/TRIP-Effektes unabdingbar sind, stark ausgeprägt. In einem ersten Schritt soll daher die Abhängigkeit der SFE vom Wasserstoffgehalt untersucht werden. In einem zweiten Schritt sollen die elastischen Konstanten von γ-Fe und FeMn wiederum in Abhängigkeit der Wasserstoffkonzentration berechnet werden, um den Effekt von H auf den für die Versetzungs-Versetzungswechselwirkung essenziellen Schermodul zu bestimmen. Schließlich soll die H-H Wechselwirkung innerhalb der austenitischen FeMn-Matrix berechnet werden, welche maßgeblich die Konzentrationserhöhung von Wasserstoff in der Nähe des Versetzungskerns bestimmt.

Basierend auf diesen ab initio berechneten Größen soll im nächsten Schritt ein Gittergas-Hamiltonian parametrisiert werden. Letzterer ist numerisch hinreichend effizient, um mittels Monte-Carlo basierter statistischer Methoden die thermodynamische Gleichgewichtsverteilung von H um Stufenversetzungen auf Längenskalen zu bestimmen, die mittels ab initio Techniken allein nicht mehr zugänglich sind.

Zur Beschreibung der gekoppelten Dynamik von Versetzungen und H-Atomen in pile-up Strukturen wird im zweiten Abschnitt dieses Teilprojekts ein Ginzburg-Landau-Modell entwickelt, wobei die im ersten Abschnitt berechneten elastischen Konstanten und die H-H-Wechselwirkungsparameter in die Parametrisierung einfließen werden. Um diesen der Phasenfeld-Kristall-Methode verwandten Ansatz zu validieren, wird die Wasserstoffverteilung um einzelne Versetzungen berechnet und mit der auf Basis des Gittergas-Hamiltonian berechneten Verteilung verglichen. In einem zweiten Schritt werden die Spannungsfelder um die Versetzung als Funktion der Wasserstoffverteilung berechnet. Schließlich soll die Versetzungs-Versetzungswechselwirkung an pile-up Spitzen als Funktion des Wasserstoffgehalts bestimmt werden, wobei eine mögliche Reduktion der Versetzungsabstände, sowie eine damit einhergehende Spannungskonzentration quantitativ und zeitaufgelöst bestimmt werden soll.