Investigation of hydrogen embrittlement in a high manganese twinning induced plasticity steel : a correlative electron microscopy and atom probe tomography study

Khanchandani, Heena; Gault, Baptiste; Raabe, Dierk; Münstermann, Sebastian

doi:41721

Investigation of hydrogen embrittlement in a high manganese twinning induced plasticity steel : a correlative electron microscopy and atom probe tomography study

Khanchandani, Heena^RWTH*

2022

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Heena Khanchandani, M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2022

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Raabe, Dierk (Thesis advisor)^RWTH* ; Münstermann, Sebastian (Thesis advisor)^RWTH* ; Gault, Baptiste (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2022-08-09

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2022-08762
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/853317/files/853317.pdf

Einrichtungen

Projekte

SHINE - Seeing hydrogen in matter (771602) (771602)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Viele Länder, darunter die Vereinigten Staaten Amerikas und einige europäische Länder, haben es sich zur Aufgabe gemacht, bis 2050 Netto-Null-CO2-Emissionen zu erreichen [1]. Um dieses Ziel zu erreichen wird derzeit daran gearbeitet, eine wasserstoffbasierte Energieversorgungs- und Verbrauchskette zu entwickeln, um die CO2-Emissionen zu minimieren und gleichzeitig den Bedürfnissen moderner Industriegesellschaften gerecht zu werden. Dazu müssen Materialien entwickelt werden, die für die Erzeugung, Speicherung und den Transport von Wasserstoff verwendet werden können. Die meisten hochfesten metallischen Werkstoffe neigen allerdings zur Wasserstoffversprödung, die verhindert werden muss. Wasserstoffversprödung kann zu einer dramatischen Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften hochfester Metalle führen. Das Eindringen von Wasserstoff in metallische Systeme kann zu vorzeitigen katastrophalen Ausfällen vieler Strukturbauteile führen [2–5]. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, die Auswirkungen von Wasserstoff auf einzelne Materialsysteme zu verstehen. Trotz jahrzehntelanger experimenteller und modellierender Forschung sind die genauen zugrundeliegenden Mechanismen hinter der Wasserstoffversprödung bislang nicht ausreichend bekannt. Zwillingsinduzierte Plastizitätsstähle (TWIP) sind vielversprechende Strukturmaterialien, die potenziell für die Speicherung und den Transport von Wasserstoff verwendet werden können [6]. TWIP-Stähle gehören zu einer Klasse von Hochmanganstählen mit einem Mangangehalt von mehr als 20 Gewichtsprozent [7]. Sie sind austenitisch mit kubisch flächenzentrierter Kristallstruktur. Allerdings neigen TWIP-Stähle zur Wasserstoffversprödung [8]. In der Literatur wurden zahlreiche Mechanismen vorgeschlagen, um die Anfälligkeit von TWIP-Stählen für Wasserstoffversprödung zu erklären. Dazu gehört unter anderem der Einfluss von Wasserstoff auf die Stapelfehlerenergie, die Phasenstabilität und das Diffusionsvermögen des Materials [4]. In dieser Arbeit wurde der Mechanismus der Wasserstoffversprödung in einer Modell-TWIP-Stahllegierung der Zusammensetzung Fe 28Mn 0,3C (Gew.-%) unter Verwendung eines Mehrskalenansatzes untersucht. Mittels Zugversuchen wurden die mechanischen Eigenschaften von Proben mit und ohne Wasserstoffbeladung ermittelt. Dabei wurde die Wasserstoffbeladung durch kathodische Aufladung erreicht. Die nach Zugverformung erhaltenen mikrostrukturellen Veränderungen wurden durch korrelative Elektronenrückstreubeugung und Elektronenkanalkontrastbildgebung untersucht. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass Wasserstoff mit strukturellen Defekten wechselwirkt und die Versetzungs-struktur modifiziert. Die Wechselwirkung von Wasserstoff mit spezifischen mikrostrukturellen Merkmalen wurde mittels Atomsondentomographie (APT) untersucht im Hinblick auf ihre Rolle bei der Wasserstoffversprödung. Die erfolgreichen Arbeitsabläufe wurden eingesetzt, um die Segregation von Tritium zu einer kohärenten Σ3-Zwillingsgrenze und die Segregation von Deuterium zu einer unspezifischen Großwinkelkorngrenze in dem durch APT untersuchten TWIP-Stahl zu untersuchen. Die aktuelle Studie legt daher nahe, dass die kohärenten Σ3-Zwillingsgrenzen Wasserstoffeinfangstellen in TWIP-Stählen sind.

Many countries are currently working towards developing a hydrogen-based energy supply and consumption chain in order to minimize carbon emissions while meeting the needs of modern industrialized societies. For instance, the United States and many European countries aim to achieve net-zero carbon emissions by 2050 [1]. It is hence important to develop the materials which can be utilized for hydrogen-energy-related generation, storage and transport which is a challenging task because most of the high strength metallic materials are prone to hydrogen embrittlement.Hydrogen embrittlement can cause a dramatic deterioration of the mechanical properties of high-strength metallic materials. The degradation of the mechanical properties of metallic systems associated to the ingress of hydrogen leads to the premature catastrophic failures of many structural components [2–5]. It is hence crucially important to understand the impact of hydrogen on individual materials systems. Despite decades of experimental and modelling studies, the exact underlying mechanisms behind hydrogen embrittlement remain elusive. Twinning induced plasticity steels (TWIP) are promising structural materials which can potentially be used for hydrogen storage and transport [6]. TWIP steels belong to a class of high manganese steels with manganese content higher than 20 wt.% [7]. They are austenitic with face centered cubic crystal structure. However, TWIP steels are prone to hydrogen embrittlement [8]. Numerous mechanisms have been proposed in the literature to explain the hydrogen embrittlement susceptibility of TWIP steels such as the influence of hydrogen on the material’s stacking fault energy, phase stability and diffusivity [4]. In this thesis, the hydrogen embrittlement mechanism in a TWIP steel of composition Fe 28Mn 0.3C (wt.%) has been investigated by using a multiscale approach. The tensile specimens were charged with hydrogen by cathodic charging and tensile tests were performed on the hydrogen-charged and the uncharged samples. The microstructural changes due to the tensile deformation with and without hydrogen were examined by correlative electron backscatter diffraction and electron channeling contrast imaging. It was inferred from this study that hydrogen interacts with the structural defects and modifies the dislocation structure. In order to examine this interaction of hydrogen with specific microstructural features by atom probe tomography (APT) and hence determine their role in hydrogen embrittlement, various cryogenic workflows were developed. The successful workflows were employed to study the segregation of tritium at a coherent Σ3 twin boundary and the segregation of deuterium at a random high angle grain boundary in the studied TWIP steel by APT. The current study hence suggests that the coherent Σ3 twin boundaries are hydrogen trapping sites in TWIP steels.

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