Die Eigenschaften von Wasserstoff stellen hohe Anforderungen an Strukturwerkstoffe. Viele Metalle neigen zur Wasserstoffversprödung, was die Lebensdauer von Bauteilen deutlich reduziert. Bisher müssen Komponenten für den Einsatz mit Wasserstoff konservativ ausgelegt oder aufwendigen Ermüdungs- und Bruchtests unterzogen werden.

Das Forschungsprojekt „HyLife“ verfolgt einen anderen Ansatz. Das Fraunhofer IWM und das NIST entwickeln dafür gemeinsam ein physikbasiertes Werkzeug zur Lebensdauerprognose. Diese setzt nur Mikroproben ein, um bruchmechanische Kennwerte aus verschiedenen Bereichen von Schweißverbindungen zu erfassen. Der Fokus liegt auf der Wärmeeinflusszone in Stahlproben. Ein von den Forschenden neu entwickeltes Messsystem kartiert die Kohäsion an Korngrenzen im Gefüge. Diese Daten bewerten den Materialzustand unter Wasserstoffeinfluss.

Das Team führt Ermüdungsrisswachstumsraten- und Bruchzähigkeitstests in Wasserstoff-Druckgas und Luft durch. Die Versuche nutzen mikroskalierte, geometrisch optimierte Stahlproben. Zweikristall-Mikroproben mit definierter Kornmissorientierung und nur einer Korngrenze dienen als Testmaterial. Zugversuche in Luft und Wasserstoffgas werden mit optischer Abbildung und digitaler Bildkorrelation dokumentiert.

KI-Modelle berechnen Korngrenzenenergien

Die Wissenschaftler verwenden KI-Modelle, die physikalische Mechanismen berücksichtigen. Diese KI-Modelle erstellen Vorhersagen von Korngrenzen-Dekohäsionsverläufen auf Basis der Mikroprobenahmedaten. Der fünfdimensionale bi-kristallographische Raum der geometrischen Kornmissorientierung bildet die Grundlage.

Die maschinell erlernte Korngrenzen-Energielandschaft parametrisiert Finite-Elemente-Modelle zur Lebensdauerabschätzung. Die Forschenden bewerten die Modelle anhand ihrer Fähigkeit, Ermüdungs- und Bruchvorgänge an Schweißnähten in Referenzmaterialien und Stählen vorherzusagen. Ein phänomenologisches Modell für Schweißverbindungen in Stahlwerkstoffen sagt deren Lebensdauer unter Wasserstoffeinfluss vorher.

Normaktualisierung und Datenbank geplant

NIST und Fraunhofer IWM wollen die bestehenden Normen ASME B31.12 und ISO 11114-4 für Werkstoffe in Wasserstoff aktualisieren und eine Datenbank für Materialkenndaten aufbauen. Diese soll eine zugängliche Quelle für Ermüdungsdaten werden. Dadurch erwarten die Forschungspartner Kosteneinsparungen für die Industrie.

Die Forschenden qualifizieren Mikroproben als zusätzliche Standardproben für nationale und internationale Normen wie DIN, ASME und ISO. Kooperationen mit Industriepartnern sollen sicherstellen, dass die Daten und Modelle den realen Anforderungen entsprechen. 

„HyLife“ soll zur Sicherheit und Effizienz von Wasserstoff-Infrastrukturen beitragen. Das Projekt hat eine Laufzeit von drei Jahren und geht bis Mai 2028. Die Fraunhofer-Gesellschaft fördert das Vorhaben im Rahmen des ICON-Programms mit 750.000 Euro für das IWM.

(Quelle: Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM/2026)