Wasserstoff gilt als Energieträger der Zukunft. Um ihn effizient einsetzen zu können, ist eine möglichst hohe spezifische Energiedichte in Speicher- und Verteilungssystemen unabdingbar. Das wiederum erfordert eingehende Untersuchungen über die Auswirkungen von Wasserstoff auf metallische Materialien. Diese verspröden unter direktem Wasserstoffeinfluss, was eine Reduktion der Duktilität und damit auch der Bruchdehnung bedeutet. Dadurch kann der Werkstoff bei Beanspruchung plötzlich spröde versagen. Die Materialprüfungen, zum Teil bei extremen Temperaturen und Druckverhältnissen, sind eine enorme Herausforderung und gehen weit über Standardtests hinaus.
Servohydraulische Prüfmaschine mit Druckwasserstoffbehälter
Die Rosen-Gruppe, spezialisiert auf Forschung, Entwicklung, Herstellung sowie den Einsatz von Inspektionsgeräten für Pipelines, errichtet am Standort Lingen (Ems) das erste eigene Wasserstoff-Prüflabor. Ziel sind Untersuchungen der Bruchmechanik, statische Zugversuche und SSRT-Versuche (slow strain rate tests) an CT-Proben, Gewindeproben und gekerbten Gewindeproben. Dazu setzt das Unternehmen unter anderem eine servohydraulische Prüfmaschine der HA-Baureihe von ZwickRoell mit Fmax von 100 kN und einem Druckwasserstoffbehälter bis 400 bar ein. Die Wasserstoffdruckaufbereitung erfolgt über einen Wasserstoffkompressor. Die Ulmer haben das komplette Prüfsystem inklusive dem Wasserstoffdruckbehälter geliefert. „Das hat den Vorteil“, erklärt Dr. Marion Erdelen-Peppler, Leiterin der Wasserstoff-Fokusgruppe bei Rosen, „dass der Druckbehälter genau auf die Anforderungen der Materialprüfung abgestimmt ist und prüfrelevante Themen wie Ausrichtung, Kraftmessung sowie Dehnungsmessung berücksichtigt werden.“
Bei den Ermüdungsprüfmaschinen der HA-Baureihe in vier Standardbaugrößen von 50, 100, 250 und 500 kN ist der Zylinder in der unteren Traverse montiert und liegt damit unterhalb des Prüfraums. Diese Anordnung eignet sich besonders für Versuchsanordnungen, bei denen Temperierkammern oder Öfen im Prüfraum montiert werden. Sie verhindert, dass erhitzte Luft nach oben steigt und den Zylinder aufheizt. Außerdem kann kein Öl in den erhitzten Prüfraum tropfen. Die Lastrahmen der HA-Baureihe zeichnen sich zudem durch eine extrem hohe Steifigkeit aus und sind speziell für Dauerschwingversuche sowie für die Bestimmung der Kurzschwingfestigkeit bei niedrigen Schwingspielen ausgelegt.
Beim Dauerschwingversuch (High Cycle Fatigue-HCF) nach DIN 50100 / ASTM E466–15 / ISO 1099 wird ein Werkstoff oder ein Bauteil mit einer sich periodisch ändernden (zyklischen) Last beansprucht. Ziel ist die Bestimmung der Zeitfestigkeit und Dauerfestigkeit für Zug-, Druck, Biege- und Torsionsbeanspruchung. Speziell bei Bauteilen können so Schwachstellen ermittelt und durch Konstruktions- oder Werkstoffänderungen beseitigt werden. Die Materialermüdung unterhalb von ca. 104 bis 105 Schwingspielen wird im Low-Cycle-Fatigue-Versuch (LCF) ermittelt. In diesem Bereich werden Werkstoffe und Bauteile so stark beansprucht, dass im Zyklus plastische Verformungen auftreten und das Material frühzeitig versagt. Speziell hierbei sind Prüfmaschine und Regler besonders gefordert. So ändert sich beim Übergang von der elastischen zur plastischen Verformung die Steifigkeit der Probe dramatisch und der Regler muss sehr schnell reagieren, um beispielsweise eine konstante Anpassung der Geschwindigkeit an die Zunahme der Dehnung zu garantieren. Die besonders hohe Steifigkeit der Prüfmaschine spielt auch hier eine entscheidende Rolle.
Servohydraulische Prüfmaschine – Materialprüfung bis -269 °C
Ebenfalls langjährige Erfahrungen auf dem Gebiet der Materialprüfung hat die Materialprüfanstalt (MPA) der Universität Stuttgart. Das Prüfspektrum umfasst unter anderem das Werkstoffverhalten in Druckwasserstoff sowie in Flüssigwasserstoff bei Temperaturen von 563 K bis hin zu 4 K und damit nahe dem absoluten Nullpunkt. Untersucht werden Verformungs- und Versagensverhalten einschließlich Rissinitiierung und -fortschritt bei statischer und schwingender Beanspruchung. Für die Prüfungen werden servohydraulischen Prüfmaschinen der HA- und HC-Baureihe mit einer dynamischen Nennkraft von bis zu 100 kN eingesetzt. In die Prüfmaschinen sind als Standard Druckwasserstoff-Behälter bis 400 bar integriert. Für Sonderausführungen sind auch 1.000 bar möglich. Die Wasserstoffdruckaufbereitung erfolgt über einen Wasserstoffkompressor. Mit den Prüfmaschinen werden u.a. Untersuchungen der Bruchmechanik an CT-Proben, des Slow Strain Rate Verhaltens (SSRT), oder der Ermüdungseigenschaften mittels gekerbter Gewindeproben durchgeführt.
Die Prüfmaschinen der Baureihe HC-Kompakt bieten einen sehr geringen Platzbedarf und sind in zwei Baugrößen verfügbar. Die erste Variante mit wahlweise 10 oder 25 kN ist für Ermüdungsversuche an kleineren Bauteilen ausgelegt und mit einer T-Nutenplatte ausgestattet. Mit der zweiten 50/100 kN Variante können sowohl statische als auch dynamisch Prüfungen durchgeführt werden. Auch bei der HC Baureihe lässt sich bei Bedarf eine Temperierkammer ohne großen Montageaufwand einbauen. (jg)
Details zu den servohydraulischen Prüfmaschinen von ZwickRoell:
Kontakt:
ZwickRoell GmbH & Co. KG
August-Nagel-Straße 11
89079 Ulm
Tel. +49 7305 10–0
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