Afbeelding: Dit artikel behandelt de waterstofbrosheid van koolstofstaal. Dit omvat een bespreking van het mechanisme waardoor een staal bros wordt door hydrgogen, omstandigheden die tot verbrossing leiden, de effecten van verbrossing op het staalgedrag, hoe verbrossing kan worden voorkomen en tests om te beoordelen of een staal is verbrossd.

Waterstofbrosheid is het verlies van taaiheid van een metaal en de vermindering van de belastbaarheid ten gevolge van de absorptie van waterstofatomen of -moleculen door het metaal. Het resultaat van waterstofbrosheid is dat onderdelen scheuren en breken bij spanningen lager dan de vloeigrens van het metaal.

Zie cursussen metallurgie & webinars
Hulp nodig bij een faalanalyse?

Brosheidsproces
Bij kamertemperatuur kunnen waterstofatomen worden geabsorbeerd door koolstofstaallegeringen. De geabsorbeerde waterstof kan zowel in atomaire als in moleculaire vorm aanwezig zijn. Na voldoende tijd, verspreidt de waterstof zich naar de metaalkorrelgrenzen en vormt bellen bij de metaalkorrelgrenzen. Deze bellen oefenen druk uit op de metaalkorrels. De druk kan oplopen tot niveaus waarbij het metaal een verminderde ductiliteit en sterkte heeft.

Situaties die leiden tot waterstofabsorptie

Waterstof kan staal binnendringen en er doorheen diffunderen, zelfs bij kamertemperatuur. Dit kan gebeuren tijdens diverse fabricage- en assemblagehandelingen of tijdens operationeel gebruik – overal waar het metaal in contact komt met atomair of moleculair waterstof

Processen waarbij de mogelijkheid van waterstofabsorptie bestaat, zijn onder meer zuurbeitsen en galvaniseren. Waterstof is aanwezig in zure beitsbaden. Bij galvaniseren wordt waterstof geproduceerd aan het oppervlak van het metaal dat wordt bekleed. Beitsen met zuur wordt gebruikt om oxidehuid van het staaloppervlak te verwijderen en galvaniseren wordt gewoonlijk gebruikt om zink af te zetten op stalen moeren, bouten, schroeven en andere bevestigingsmiddelen voor galvanische corrosiebescherming van het staal. Andere gegalvaniseerde deklagen worden voor verschillende toepassingen gebruikt.

Waterstofabsorptie kan ook optreden wanneer een onderdeel in dienst is als het staal wordt blootgesteld aan zuren of als corrosie van het staal optreedt.

Intergranulaire Breuk

Een voorbeeld van breuk door waterstofbrosheid is te zien in de onderstaande figuren. De linker afbeelding toont een macroscopisch beeld van een verzinkte, stalen bout met breuk. De rechter afbeelding toont een scanning-elektronenmicroscoopbeeld van het breukvlak. Op deze afbeelding zijn de afzonderlijke korrels aan het breukvlak van het metaal te zien, wat duidt op interkristallijne breuk. De bout raakte verbrijzeld tijdens het galvaniseren met zink.

Intergranulaire scheurvorming treedt op wanneer scheuren ontstaan en groeien langs verzwakte korrelgrenzen in een metaal. In het geval van waterstofbrosheid verzwakken de waterstofbellen bij de korrelgrenzen het metaal.

Eisen voor falen door waterstofbrosheid

Er zijn drie eisen voor falen door waterstofbrosheid:

• Een vatbaar materiaal.
• Blootstelling aan een omgeving die waterstof bevat.
• De aanwezigheid van trekspanning op het onderdeel.

Hoge-sterktestalen met een treksterkte groter dan ongeveer 145 ksi (1000 MPa) zijn de legeringen die het kwetsbaarst zijn voor waterstofbrosheid.

Zoals eerder vermeld, treedt blootstelling aan waterstof op tijdens oppervlaktebewerkingsprocesstappen zoals zuur beitsen en galvaniseren en tijdens service als het staal wordt blootgesteld aan zuren of als corrosie optreedt.

Wat betreft de spanning om breuk te veroorzaken, kan zelfs trekrestspanning binnen een onderdeel voldoende zijn om falen van een verbrijzeld materiaal te veroorzaken.

Zie metallurgiecursussen & webinars
Hulp nodig bij een faalanalyse?

Voorkomen van waterstofbrosheid

Stappen die kunnen worden ondernomen om waterstofbrosheid te voorkomen zijn onder meer het verminderen van de blootstelling aan waterstof en het bakken na galvaniseren of andere processen die tot waterstofabsorptie leiden. Waterstofbrosheid van gegalvaniseerde onderdelen kan worden voorkomen door ze binnen een paar uur na het galvaniseren te bakken bij 375 tot 430 °F (190 tot 220°C). Tijdens het bakken, diffundeert de waterstof uit het metaal.

Voor toepassingen waar er waterstofabsorptie zal zijn terwijl een component in dienst is, zijn het gebruik van staal van lagere sterkte en de vermindering van overblijvende en toegepaste spanning manieren om breuk te vermijden toe te schrijven aan waterstofbrosheid.

Evalueren voor waterstofbrosheid

Finitief, zijn er tests die kunnen worden uitgevoerd om te evalueren of de verwerking tot staalwaterstofbrosheid leidt. Hier zijn twee dergelijke tests:

• ASTM F1940 standaard testmethode voor proces controle verificatie om waterstofbrosheid te voorkomen in geplateerde of gecoate bevestigingsmiddelen
• ASTM F519 standaard testmethode voor mechanische waterstofbrosheid evaluatie van plateerprocessen en service-omgevingen