01.09.2020
Die Verteilung von Deuterium vor (a) und während (b) der Anwendung der mechanischen Belastung

Die Verteilung von Deuterium vor (a) und während (b) der Anwendung der mechanischen Belastung

Quelle: BAM

Der folgende Beitrag stellt die mittels Flugzeit-Sekundärionenmassenspektrometrie (ToF-SIMS) beobachtete Verteilung des Wasserstoffisotops Deuterium (2H) auf der Mikroebene vor. Diese Methode wurde mit Rasterelektronenmikroskopie (REM) und Elektronenrückstreuungsbeugung (EBSD) vor und nach der elektrochemischen Beladung über 120 Stunden kombiniert. Eine verbesserte Datenanalyse wurde unter Anwendung der Hauptkomponentenanalyse (PCA) von ToF-SIMS-Rohdaten und Fusion mit REM-Bildern durchgeführt.

Zusätzlich zur Kombination morphologischer, struktureller und chemischer Daten desselben Bereiches wurde eine innovative Vier-Punkt-Biegevorrichtung angewandt, um eine externe mechanische Belastung zu ermöglichen. Damit konnte der Einfluss externen Belastung auf die Mobilität von Deuterium untersucht werden, wie sie etwa unter Betriebsbedingungen stattfindet. Aus diesem Grund wurde die mechanische Belastung während der ToF-SIMS-Analyse auf die Probe aufgebracht.

Die Experimente ergaben, dass die elektrochemische Beladung zu starken Rissen in der Oberfläche und zur Umwandlung ursprünglich austenitischer Körner sowohl in ε- als auch in α‘-Martensit führt. Die Phasenumwandlung fand auf bevorzugten Gleitbändern statt. Die Korrelation mit den SIMS-Daten ergab höhere Deuterium-Intensitäten nicht nur wie erwartet im Restaustenit, sondern auch im neu gebildeten Martensit. Diese Beobachtung ist insofern bemerkenswert, da Martensit im Vergleich zu Austenit bekanntlich eine viel geringere Löslichkeit für Wasserstoff und damit auch für Deuterium aufweist.

Ein Vergleich der miteinander verschmolzenen SIMS- und REM-Aufnahmen vor und während des Aufbringens der mechanischen Belastung deutet auf eine Bewegung von Deuterium in Richtung der Bereiche mit der höchsten Zugspannung hin, die überwiegend auf das Aufbringen der externen Belastung zurückzuführen ist.

Mit den vorliegenden Erkenntnissen geben die Autoren einen tieferen Einblick in die wasserstoffinduzierte Schädigung hochlegierter austenitischer Stähle im Mikromaßstab. Die hier gezeigten Ergebnisse bieten eine neue Perspektive für das Verständnis der Bildungsdynamik von martensitischen Phasen in Austenit und den Einfluss von Wasserstoff auf diese Dynamik.

In-situ ToF-SIMS analyses of deuterium re-distribution in austenitic steel AISI 304L under mechanical load
Andreas Röhsler, Oded Sobol, Hannu Hänninen, Thomas Böllinghaus
erschienen in Scientific Reports, Band 10, Artikelnummer 3611, 2020
BAM, Abteilung Komponentensicherheit