Wasserstoffversprödung: Wie Stahl Duktilität verliert ist der Verlust von Zähigkeit und Dehnbarkeit, der auftritt, wenn atomarer Wasserstoff in ein Metallgitter aufgenommen wird und hochfester Stahl bei angelegten oder Eigenspannungen weit unterhalb seiner Streckgrenze spröde reißen kann.
Der Bruch tritt oft verzögert auf, Stunden oder Tage nach der Belastung, was ihn zu einem der gefährlichsten Schädigungsmechanismen macht, denen ein Instandhaltungs- oder Integritätsingenieur begegnen wird. Was im Stahl passiert Wasserstoffversprödung wird von einzelnen Wasserstoffatomen verursacht, nicht von Wasserstoffmolekülen.
Atomarer Wasserstoff ist klein genug, um durch das Eisen-Gitter zu diffundieren und sich in hochbeanspruchten Bereichen wie Rissspitzen, Einschlüssen, Korngrenzen und Versetzungskernen anzusammeln. Dort konzentriert senkt der Wasserstoff die Kohäsionsfestigkeit des Metalls und vermindert die Energie, die nötig ist, um einen Riss zu eröffnen.
Unter anhaltender Zugbeanspruchung kann das Material dann durch Spaltbruch oder interkristallinen Bruch versagen, obwohl ein normaler Zugversuch am unveränderten Material ausreichende Duktilität gezeigt hätte. Zwei Merkmale kennzeichnen den Mechanismus und unterscheiden ihn von gewöhnlicher Überlastung: - Verzögerter Bruch unter statischer Last.
Risse entwickeln sich unter konstanter Belastung im Laufe der Zeit, nicht nur bei dynamischer Beanspruchung. - Spröder Bruch unterhalb der Streckgrenze. Das Versagen tritt bei Nennspannungen unterhalb der Streckgrenze auf, oft mit wenig oder keiner sichtbaren plastischen Verformung. Woher der Wasserstoff kommt Wasserstoff kann während der Herstellung, Fertigung oder im Betrieb in Stahl gelangen.
Die häufigsten Quellen sind: - Galvanisieren und Säurebeizen. Zink-, Cadmium- und Chrombeschichtungen sowie säurehaltige Reinigungen zur Entfernung von Zunder erzeugen atomaren Wasserstoff an der Stahloberfläche, der leicht aufgenommen wird. - Schweißen mit feuchten Zusatzwerkstoffen.
Feuchtigkeit in Elektrodenummantelungen, Flussmitteln oder an der Fuge dissoziiert im Lichtbogen und belädt die Schweißnaht und die Wärmeeinflusszone mit Wasserstoff, was zu Kalt- oder verzögerter Rissbildung führt. - Überpotenzial bei kathodischem Schutz. Übermäßig negative Potenziale an einer geschützten Struktur erzeugen Wasserstoff an der Stahloberfläche.
Eine sorgfältige Auslegung von kathodischen Schutzsystemen hält das Potential in sicheren Grenzen, um Überprotektion zu vermeiden. - Feuchte H2S-Umgebung und saurer Betrieb. In Erdöl- und Erdgasumgebungen fördert H2S den Wasserstoffeinstieg und begünstigt wasserstoffinduziertes Risswachstum (HIC), stufenweises Risswachstum und Sulfidspannungsriss (SSC).
Warum hochfeste Stähle am stärksten gefährdet sind Die Empfindlichkeit nimmt mit Festigkeit und Härte stark zu. Weiche, niedrigfeste ferritische Stähle tolerieren aufgenommenen Wasserstoff weitgehend ohne Wirkung, während gehärtete martensitische und vergütete Stähle leicht Risse bilden können. Die maßgebliche Größe in den meisten Spezifikationen ist die Härte, die mit der Zugfestigkeit und dem Versprödungsrisiko korreliert.
Stahlzustand, Ca. Zugfestigkeit, Typische Härte, Versprödungsrisiko - Unlegierter Baustahl, niedrigkohlig (gewalzt), Unter 700 MPa, Unter 22 HRC, Gering - Mittelstarker legierter Stahl, 700, 1000 MPa, 22, 32 HRC, Mäßig - Vergüteter hochfester Stahl, 1000, 1400 MPa
33, 40 HRC, Hoch - Ultrahochfest (Schrauben, Federn), Über 1400 MPa, Über 40 HRC, Sehr hoch Deshalb erfordern Schrauben der Güteklasse 12.9, Stähle für Flugzeugfahrwerke und Federstähle strenge Prozesskontrollen, während gewöhnliche Baustahlprofile selten Probleme bereiten.
Wodurch es sich von verwandten Mechanismen unterscheidet Wasserstoffversprödung lässt sich leicht mit anderen Rissarten verwechseln, und die Unterscheidung ist für die Ursachenermittlung wichtig. Sie darf nicht mit dem wachstumsbedingten Schädigungsprozess der Metallermüdung verwechselt werden, der wechselnde Spannungen erfordert.
Sie überschneidet sich auch mit, ist aber nicht identisch mit, der umweltbedingten Spannungsrisskorrosion, bei der ein spezifisches Korrosionsmittel und Zugspannung zusammenwirken. In sauren Betriebsbedingungen können beide nebeneinander auftreten, sodass üblicherweise eine bruchflächenkundliche und umweltbezogene Überprüfung nötig ist, um die richtige Ursache zu bestimmen. Gegenmaßnahmen und Kontrolle Wasserstoffversprödung ist vermeidbar, wenn Prozess und Werkstoff kontrolliert werden.
Bewährte Maßnahmen umfassen: - Ausbacken, um Wasserstoff auszutreiben. Beschichtete und gebeizte hochfeste Bauteile werden typischerweise innerhalb weniger Stunden nach der Behandlung gemäß Spezifikationen wie ASTM B850 und F1940 bei 190, 220 °C für 4, 24 Stunden ausgebacken. Höhere Festigkeit erfordert längere Backzeiten. - Härtebegrenzung.
Die Härte auf oder unter dem angegebenen Höchstwert zu halten, üblicherweise 22 HRC für Kohlenstoff- und niedriglegierte Stähle in saurem Umfeld, beseitigt den Großteil des Risikos. - Schweißpraxis mit geringem Wasserstoffgehalt.
Verwenden Sie basisch ummantelte oder wasserstoffarme Elektroden, lagern Sie Zusatzwerkstoffe in beheizten Öfen, führen Sie Vorwärmen durch und kontrollieren Sie die Feuchtigkeit, um den diffundierbaren Wasserstoff in der Schweißnaht zu begrenzen. - Einhaltung der Vorgaben für sauren Betrieb.
Wählen und qualifizieren Sie Werkstoffe nach NACE MR0175 / ISO 15156, die Härte- und metallurgische Grenzwerte für feuchte H2S-Umgebungen festlegen. Erkennung und Prüfung Da die Risse eng und oft unter der Oberfläche liegen, spielen sowohl oberflächennahe als auch volumetrische zerstörungsfreie Prüfverfahren eine Rolle.
Feine Oberflächenrisse in ferromagnetischen Bauteilen werden häufig durch Magnetpulverprüfung gefunden, während Ultraschallverfahren interne HIC-Blasen und stufenförmige Risse abbilden. Da das Versagen verzögert auftritt, müssen Prüfintervalle die Inkubationszeit nach Inbetriebnahme eines Bauteils berücksichtigen. Das Erfassen von Galvanikchargen, Schweißzusatz-Losen, Backprotokollen und Prüfergebnissen in einem Instandhaltungssystem wie Fabrico sichert die Rückverfolgbarkeit, auf die Integritätsprüfungen und Schadensuntersuchungen angewiesen sind.
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Sobald ein Riss gebildet ist, ist der Schaden dauerhaft und das Bauteil muss ersetzt werden. Backen ist nur vor Bruch und wenn es kurz nach der Wasserstoffaufladung durchgeführt wird, wirksam. Warum tritt das Versagen verzögert und nicht sofort ein?
Wasserstoff muss durch das Gitter diffundieren und sich in beanspruchten Bereichen anreichern, bevor die örtliche Konzentration hoch genug ist, um einen Riss zu initiieren. Diese Diffusion braucht Zeit, sodass Bauteile anfängliche Belastungstests bestehen können und dann Stunden oder Tage später unter anhaltender Spannung versagen. Welcher Härtegrenzwert wird am häufigsten für sauren Betrieb verwendet?
Für Kohlenstoff- und niedriglegierte Stähle in feuchten H2S-Umgebungen ist ein Maximum von 22 HRC der übliche Grenzwert nach NACE MR0175 / ISO 15156, ergänzt durch Vorgaben zu Mikrostruktur und Schweißen. Materialien mit höherer Härte erfordern eine spezifische Qualifikation. Sind Edelstähle von Wasserstoffversprödung betroffen?
Austenitische Edelstähle sind deutlich weniger anfällig wegen ihrer kubisch-flächenzentrierten Struktur und geringen Wasserstoffdiffusivität. Hochfeste martensitische und ausscheidungshärtende Edelstahlgüten können jedoch ebenfalls verspröden und benötigen dieselben Härte- und Prozesskontrollen.
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