Abstract: Dieser Artikel behandelt die Wasserstoffversprödung von Kohlenstoffstahl. Dazu gehört eine Erörterung des Mechanismus, durch den ein Stahl durch Wasserstoff versprödet wird, der Umstände, die zur Versprödung führen, der Auswirkungen der Versprödung auf das Verhalten des Stahls, der Verhinderung der Versprödung und der Prüfungen zur Beurteilung, ob ein Stahl versprödet ist.

Wasserstoffversprödung ist der Verlust der Duktilität eines Metalls und die Verringerung der Tragfähigkeit aufgrund der Aufnahme von Wasserstoffatomen oder -molekülen durch das Metall. Das Ergebnis der Wasserstoffversprödung ist, dass Bauteile bei Spannungen, die unter der Streckgrenze des Metalls liegen, reißen und brechen.

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Versprödungsprozess
Bei Raumtemperatur können Wasserstoffatome von Kohlenstoffstahllegierungen absorbiert werden. Der absorbierte Wasserstoff kann entweder in atomarer oder molekularer Form vorliegen. Wenn genügend Zeit vergeht, diffundiert der Wasserstoff zu den Korngrenzen des Metalls und bildet an den Korngrenzen Blasen. Diese Blasen üben Druck auf die Metallkörner aus. Der Druck kann bis zu einem Niveau ansteigen, bei dem das Metall eine verringerte Duktilität und Festigkeit aufweist.

Situationen, die zur Wasserstoffabsorption führen

Wasserstoff kann selbst bei Raumtemperatur in Stahl eindringen und durch diesen diffundieren. Dies kann bei verschiedenen Herstellungs- und Montagevorgängen oder im Betrieb geschehen – überall dort, wo das Metall mit atomarem oder molekularem Wasserstoff in Berührung kommt

Prozesse, bei denen die Möglichkeit einer Wasserstoffabsorption besteht, sind das Säurebeizen und die Galvanisierung. In sauren Beizbädern ist Wasserstoff vorhanden. Beim Galvanisieren wird Wasserstoff an der Oberfläche des zu beschichtenden Metalls erzeugt. Das saure Beizen wird verwendet, um Oxidzunder von der Stahloberfläche zu entfernen, und das Galvanisieren wird üblicherweise verwendet, um Zink auf Stahlmuttern, -bolzen, -schrauben und andere Verbindungselemente aufzubringen, um den Stahl vor galvanischer Korrosion zu schützen. Andere galvanische Beschichtungen werden für verschiedene Anwendungen verwendet.

Wasserstoffabsorption kann auch auftreten, wenn ein Bauteil in Betrieb ist, wenn der Stahl Säuren ausgesetzt ist oder wenn Korrosion des Stahls auftritt.

Intergranularer Bruch

Ein Beispiel für ein Versagen aufgrund von Wasserstoffversprödung ist in den folgenden Abbildungen dargestellt. Das linke Bild zeigt eine makroskopische Ansicht eines gebrochenen, verzinkten Stahlbolzens. Das rechte Bild zeigt eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der Bruchfläche. Auf diesem Bild sind die einzelnen Körner an der Bruchfläche des Metalls zu erkennen, was auf einen intergranularen Bruch hindeutet. Der Bolzen ist während des Verzinkungsprozesses versprödet.

Interkristalline Rissbildung tritt auf, wenn sich Risse bilden und entlang geschwächter Korngrenzen in einem Metall wachsen. Im Falle der Wasserstoffversprödung schwächen die Wasserstoffblasen an den Korngrenzen das Metall.

Voraussetzungen für ein Versagen aufgrund von Wasserstoffversprödung

Es gibt drei Voraussetzungen für ein Versagen aufgrund von Wasserstoffversprödung:

• Ein anfälliger Werkstoff.
• Einwirkung einer wasserstoffhaltigen Umgebung.
• Vorhandensein von Zugspannung auf das Bauteil.

Hochfeste Stähle mit einer Zugfestigkeit von mehr als ca. 145 ksi (1000 MPa) sind die Legierungen, die am anfälligsten für Wasserstoffversprödung sind.

Wie bereits erwähnt, tritt die Wasserstoffexposition während der Oberflächenveredelungsprozesse wie Säurebeizen und Galvanisieren und während des Betriebs auf, wenn der Stahl Säuren ausgesetzt ist oder wenn Korrosion auftritt.

Was die bruchverursachende Spannung anbelangt, so können selbst Zugeigenspannungen innerhalb eines Bauteils ausreichen, um ein Versagen eines versprödeten Materials zu verursachen.

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Vermeidung von Wasserstoffversprödung

Zu den Maßnahmen, die zur Vermeidung von Wasserstoffversprödung ergriffen werden können, gehören die Verringerung der Wasserstoffexposition und das Einbrennen nach der Galvanisierung oder anderen Prozessen, die zur Wasserstoffaufnahme führen. Die Wasserstoffversprödung von galvanisierten Bauteilen kann verhindert werden, indem sie innerhalb weniger Stunden nach dem Galvanisierungsprozess bei 190 bis 220 °C (375 bis 430 °F) gebacken werden. Während des Einbrennens diffundiert der Wasserstoff aus dem Metall.

Für Anwendungen, bei denen es während des Betriebs zu einer Wasserstoffabsorption kommt, sind die Verwendung von Stählen mit geringerer Festigkeit und die Verringerung der Eigenspannung und der angelegten Spannung Möglichkeiten, um einen Bruch aufgrund von Wasserstoffversprödung zu vermeiden.

Bewertung der Wasserstoffversprödung

Schließlich gibt es Tests, die durchgeführt werden können, um zu bewerten, ob die Verarbeitung zu einer Wasserstoffversprödung von Stahl führt. Hier sind zwei solcher Tests:

• ASTM F1940 Standard Test Method for Process Control Verification to Prevent Hydrogen Embrittlement in Plated or Coated Fasteners
• ASTM F519 Standard Test Method for Mechanical Hydrogen Embrittlement Evaluation of Plating Processes and Service Environments