Material Center Leoben nutzt HA 100 zur präzisen Werkstoffanalyse unter Wasserstoffeinfluss
Case Study
- Kunde: Materials Center Leoben Forschung GmbH
- Ort: Leoben, Österreich
- Branche: Institute & Akademie, Metall, Auftragsprüfung
- Thema: MCL: Werkstoff- und Bauteilprüfungen unter Wasserstoffeinfluss
Januar 2025
Das Material Center Leoben (MCL) verwendet die servohydraulische Prüfmaschine HA100 von ZwickRoell zur Werkstoffprüfung unter Wasserstoffeinfluss. Mit einem Autoklav (bis 400 bar, -50 °C bis +150 °C) und hochpräziser Messtechnik für Kraft, Dehnung und Risslänge, ermöglicht sie mitunter präzise Bruchmechanik-Prüfungen. Durch die Möglichkeit jegliche quasi-statische, bruchmechanische und dynamische Prüfungen an makroskopischen Prüfkörpern (z.B. LCF, da/dN, J1C / K1C durchführen zu können, liefert die Maschine entscheidende Daten für die Materialentwicklung unter extremen Bedingungen. Hierbei wird auch die Gleichstrompotenzialmethode (DCPD) zur Risslängenmessung eingesetzt.
Materials Center Leoben Forschung GmbH
MCL setzt neue Standards in der Werkstoffprüfung
Das Materials Center Leoben (MCL) ist ein führendes Forschungsinstitut in der Materialwissenschaft, das spezialisiert ist auf die Entwicklung, Optimierung und Charakterisierung innovativer Werkstoffe für industrielle Anwendungen. Das MCL wurde 1999 als Gesellschaft mit beschränkter Haftung gegründet und hat sich von Anfang an als kompetenter Partner der Industrie etabliert. Die Eigentümer spiegeln seine starken akademischen Wurzeln wider: Die Montanuniversität Leoben, Joanneum Research, Leoben Holding, die Österreichische Akademie der Wissenschaften, die Technische Universität Wien und die Technische Universität Graz. Als Werkstoff- und Oberflächenkompetenzzentrum unterstützt MCL seine Partner in der Entwicklung leistungsfähiger und nachhaltiger Materialien, insbesondere in den Bereichen Mikroelektronik, Maschinenbau, Luft- und Raumfahrt sowie Energietechnik.
Ein wesentlicher Forschungsbereich stellt die Analyse der Wasserstoffverträglichkeit von Materialien dar. Wasserstoff, als umweltfreundlicher Energieträger, kann eine Schädigung in der Mikrostruktur von Werkstoffen hervorrufen und dadurch die mechanischen Eigenschaften beeinflussen. Das MCL konzentriert sich daher auf die Erforschung von Wasserstoff-Materialwechselwirkungen und damit verbundenen Materialveränderungen durch Wasserstoffeinwirkung. Auf Basis der daraus gewonnenen Ergebnisse werden Methoden entwickelt zur Optimierung von Werkstoffen sowie Methoden zur sicheren Auslegung von Bauteilen für wasserstoffreiche Umgebungen.
Zudem betreibt MCL ein nach ISO IEC 17025 akkreditiertes Prüflabor mit den wichtigsten Prüfverfahren der mechanischen Prüfung metallischer Werkstoffe wie Härteprüfung, Zugversuch, Bruchzähigkeit, Ermüdungsrisswachstum und Ermüdungsversuche. Außerdem bietet MCL Lösungen in der numerischen Simulation und modellbasierten Materialentwicklung an, um Materialverhalten präzise vorherzusagen und Prozesse effizienter zu gestalten. Schadensanalysen und Materialanalytik sind zentral, um frühzeitig potenzielle Schwachstellen zu identifizieren und die Langlebigkeit von Bauteilen zu erhöhen. Durch interdisziplinäre Expertise und enge Zusammenarbeit mit Industrie und Wissenschaft trägt das Institut wesentlich zur Entwicklung innovativer und nachhaltiger Materiallösungen für die Zukunft bei.
Die ZwickRoell Top Kompetenzen
- Innovative ZwickRoell Komplettlösung in puncto Wasserstoff („Alles aus einer Hand“) als wirtschaftlichstes Gesamtpaket.
- Langjährige Erfahrung, da ZwickRoell Maschinen bereits vorhanden.
- Durchführung diverser bruchmechanischer Prüfungen.
- Bewährte Qualität von ZwickRoell Maschinen.
- Starke Software- und Kalibrierlösung (testXpert).
Die Aufgabe
Präzise Untersuchung des Schädigungsverhaltens unter Wasserstoffeinfluss
Für die Entwicklung von Materialien, die für Wasserstoffanwendungen geeignet sind, stellt die MCL Forschung GmbH wichtige Materialdaten bereit, die sowohl Wissenschaft als auch Industrie unterstützen. Im Fokus steht die Untersuchung des Schädigungsverhaltens (Materialveränderungen, Rissbildung und Rissausbreitung) in verschiedenen Werkstoffen, insbesondere in Metallen, sobald diese mit Wasserstoff in Berührung kommen.
Durch umfassende Charakterisierung unter variierenden Druck- und Temperaturbedingungen simuliert MCL reale Anwendungsbedingungen – beispielsweise für Hersteller von Wasserstoffpipelines, Tanks und Rohrleitungen. Dabei werden die Fragen untersucht, wie und ob Risse entstehen, wachsen und sich die Rissbeständigkeit der Materialien verändert.
Die gewonnenen Daten sind entscheidend für die Entwicklung sicherer, langlebiger Materialien, die den Anforderungen an die Wasserstoffinfrastruktur gerecht werden. Kunden aus verschiedenen Branchen, wie der Energieerzeugung und dem Transportwesen, profitieren von diesen Erkenntnissen, um ihre Produkte zu verbessern. MCL unterstützt aktiv bei der Weiterentwicklung und Suche nach innovativen Lösungen in der Wasserstofftechnologie.
Die ZwickRoell Lösung
Servohydraulische Prüfmaschine HA 100
Die servohydraulische Prüfmaschine HA 100 wurde für MCL zur Charakterisierung von Werkstoffen unter Wasserstoffeinfluss gebaut. Die HA 100 ist mit einem integrierten Autoklav ausgestattet, der Drücke bis zu 400 bar erlaubt und Temperaturen von -50 °C bis +150 °C zulässt. Diese Maschine bietet präzise Messungen von Kraft und Dehnung und ermöglicht es auch mittels Gleichstrompotentialmethode in-situ präzise die Rissverlängerung mitzumessen. Dabei wird ein Strom durch die Probe geleitet und die Potentialänderung infolge des Rissfortschrittes gemessen und somit die Rissverlängerung präzise bestimmt.
Diese spezielle Ausstattung erlaubt es dem MCL sowohl quasi-statische, bruchmechanische als auch Ermüdungsprüfungen (HCF, LCF) mit hoher Flexibilität in Bezug auf Probengrößen durchzuführen. Um Prüfungen genau durchzuführen, ist es wichtig, dass jegliche Mess-Sensoren (wie Kraft, Kerbaufweitung, Dehnung, aber auch in-situ Risslängenmessung) auch unter den extremen Bedingungen (z.B. hohe Drücke, Temperaturen) zuverlässig und höchstpräzise messen. Hierauf wurde bei dieser Anlage, z.B. in Bezug auf eine druckkompensierte hochpräzise Kraftmessung sowohl im niedrigen als auch hohen Kraftbereich, besonderes Augenmerk gelegt, damit diese Anlage auch jeglichen Normanforderungen in Bezug auf Genauigkeit dieser Sensoren erfüllt.
Für eine sehr präzise Risslängenmessungen kann bei der Anlage neben der oft üblichen Compliance-Methode auch die am MCL seit vielen Jahren etablierte Gleichstrompotentialmethode (DCPD) eingesetzt werden. Diese sorgt für eine sehr präzise, zuverlässige und sichere Risslängenmessung, die für komplexe bruchmechanische Versuche (J-R-Kurven und auch Ermüdungsrisswachstum) unerlässlich ist. Bei der Softwareausstattung der Prüfmaschine wurde besonderer Fokus daraufgelegt, dass die wichtigsten genormten Prüfverfahren der Werkstoffprüfung von Metallen für Zugversuche, Bruchzähigkeitsmessungen, Ermüdungsrisswachstum und auch dehnungsgeregelten Ermüdungsversuchen sowohl durchgeführt und auch ausgewertet werden können.
Durch die oben genannte spezifische Ausstattung ist die HA 100 eine Komplettlösung sowohl für die Forschung und Entwicklung als auch die Prüfdienstleistung in der Wasserstofftechnologie. Sie unterstützt somit MCL bei der Entwicklung sicherer und leistungsfähiger Materialien für die Zukunft.
Das Ergebnis
Effiziente und präzise Materialprüfungen
Dank der HA 100 führt MCL künftig komplexe mechanische Prüfungen unter Hochdruck-Wasserstoff durch und auch weiteren Wasserstoff-Gasgemischen in Abhängigkeit der Prüftemperatur von -50 °C bis 150 °C. Diese hochpräzise Prüfsystemlösung ermöglicht es dem MCL, sich u.a. auf Bruchmechanik unter Wasserstoffeinfluss zu spezialisieren und gleichzeitig die Herausforderungen, die mit Wasserstoffeinfluss verbunden sind, erfolgreich zu meistern.
Mit rund 25 Jahren Erfahrung im Bereich der Materialprüfung verfügt MCL bereits über umfassendes Methoden-Know-how. Zudem betreibt das MCL ein nach ISO IEC 17025 akkreditiertes Prüflabor mit derzeit 18 Prüfverfahren im Bereich der mechanischen Prüfung, womit die Bereitstellung höchstqualitativer und zuverlässiger Prüfungen von standardisierten Prüfverfahren gewährleistet wird. MCL plant auch die Prüfverfahren unter Wasserstoff-Atmosphäre in die Akkreditierung aufzunehmen. Durch den Einsatz der HA100 besitzt MCL jetzt einen Wettbewerbsvorteil. Der Grund: Die bereits jahrelange Erfahrung mit Standardprüfverfahren kann künftig auch sofort unter Wasserstoff-Atmosphäre angewandt werden und erhöht somit die Effizienz und Wirtschaftlichkeit der Dienstleistungen. Zudem kann MCL schnelle und zuverlässige Ergebnisse liefern und seinen Kunden helfen, sicherere und leistungsfähigere Materialien und Produkte zu entwickeln. Folglich ist MCL bestens aufgestellt, um die steigenden Anforderungen der Branche zu erfüllen und die Entwicklung innovativer Materialien voranzutreiben.
„Die Kombination aus hoher Präzision und Flexibilität erlaubt uns, auch komplexe Prüfungen unter Wasserstoffeinfluss effizient und präzise durchzuführen und innovative Materiallösungen zu entwickeln."
Dr. Stefan Marsoner,
Head of Department Materials & Services, Materials Center Leoben Forschung GmbH.
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