Abstrakt: I denna artikel diskuteras vätgasförsprödning av kolstål. Detta inkluderar en diskussion om mekanismen genom vilken ett stål blir försprött av hydrgogen, omständigheter som leder till försprödning, effekterna av försprödning på stålets beteende, hur man förhindrar försprödning och tester för att utvärdera om ett stål har blivit försprött.

Väteförsprödning är en metalls förlust av duktilitet och minskning av lastbärande förmåga på grund av absorptionen av väteatomer eller -molekyler av metallen. Resultatet av väteförsprödning är att komponenter spricker och går sönder vid spänningar som är mindre än metallens sträckgräns.

Se metallurgikurser &webbinarier
Behövs hjälp med en felanalys?

Försprödningsprocess
Vid rumstemperatur kan väteatomer absorberas av kolstålslegeringar. Det absorberade vätet kan finnas antingen i atomär eller molekylär form. Med tillräcklig tid diffunderar vätet till metallens korngränser och bildar bubblor vid metallens korngränser. Dessa bubblor utövar tryck på metallkornen. Trycket kan öka till nivåer där metallen får minskad duktilitet och hållfasthet.

Situationer som leder till väteabsorption

Väte kan tränga in i och diffundera genom stål även vid rumstemperatur. Detta kan ske under olika tillverknings- och monteringsoperationer eller operativ användning – överallt där metallen kommer i kontakt med atomärt eller molekylärt väte

Processer för vilka det finns en möjlighet till absorption av väte är bl.a. syrabetsning och elektroplätering. Vätgas förekommer i syrabetsbad. Vid elektroplätering produceras vätgas vid ytan av den metall som beläggs. Surtvättning används för att avlägsna oxidskikt från stålets yta och galvanisering används vanligen för att lägga zink på muttrar, bultar, skruvar och andra fästelement av stål för att skydda stålet mot galvanisk korrosion. Andra elektropläterade beläggningar används för olika tillämpningar.

Väteabsorption kan också uppstå när en komponent är i drift om stålet utsätts för syror eller om korrosion av stålet sker.

Intergranulära brott

Ett exempel på brott på grund av väteförsprödning visas i figurerna nedan. Den vänstra bilden visar en makroskopisk bild av en bruten, förzinkad stålskruv. Den högra bilden visar en skanningselektronmikroskopisk bild av brottytan. På denna bild kan man se de enskilda kornen på metallbrottsytan, vilket tyder på intergranulära brott. Skruven blev försprödd under galvaniseringen av zink.

Intergranulär sprickbildning uppstår när sprickor bildas och växer längs försvagade korngränser i en metall. Vid väteförsprödning försvagas metallen av vätebubblorna vid korngränserna.

Krav för brott på grund av väteförsprödning

Det finns tre krav för brott på grund av väteförsprödning:

• Ett känsligt material.
• Exponering för en miljö som innehåller väte.
• Närvaron av dragspänning på komponenten.

Höghållfasta stål med en draghållfasthet större än cirka 145 ksi (1000 MPa) är de legeringar som är mest sårbara för väteförsprödning.

Som tidigare nämnts sker exponering för vätgas under processsteg för ytbehandling, t.ex. syrabearbetning och galvanisering, och under drift om stålet utsätts för syror eller om korrosion uppstår.

När det gäller spänningen för att orsaka brott kan även dragrester inom en komponent vara tillräckliga för att orsaka brott på ett försprött material.

Se metallurgikurser &webbinarier
Behövs hjälp med en felanalys?

Förhindra väteförsprödning

Steg som kan vidtas för att undvika väteförsprödning är bland annat att minska väteexponering och bakning efter galvanisering eller andra processer som leder till väteabsorption. Väteförsprödning av elektropläterade komponenter kan förhindras genom att baka dem vid 190-220 °C (375-430 °F) inom några timmar efter elektropläteringsprocessen. Under gräddningen diffunderar vätet ut ur metallen.

För tillämpningar där det kommer att förekomma väteabsorption medan en komponent är i drift, är användningen av stål med lägre hållfasthet och reducering av restspänningar och påförda spänningar sätt att undvika brott på grund av väteförsprödning.

Evaluering av väteförsprödning

För att utvärdera om bearbetningen leder till väteförsprödning av stål finns det slutligen tester som kan utföras för att utvärdera om bearbetningen leder till väteförsprödning. Här är två sådana tester:

• 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