Ingenieure müssen die Bedingungen und den Entstehungsprozess der Wasserstoffversprödung verstehen, wenn sie Materialien für spezifische Anwendungen auswählen. Dieser Artikel behandelt die Quellen von Wasserstoff und die Mechanismen der Wasserstoffversprödung.
Problem
Eine weitere Form der spannungsinduzierten Korrosionsrissbildung ist die Wasserstoffversprödung. Obwohl die Versprödung von Materialien viele Formen annehmen kann, hat die Wasserstoffversprödung in hochfesten Stählen die verheerendste Wirkung aufgrund der katastrophalen Natur der Brüche, wenn sie auftreten. Wasserstoffversprödung ist der Prozess, bei dem Stahl seine Duktilität und Festigkeit aufgrund von Mikrorissen verliert, die durch den inneren Druck von Wasserstoff (H2) oder Methangas (CH4) entstehen, das sich an den Korngrenzen bildet. In Zirkoniumlegierungen wird die Wasserstoffversprödung durch die Bildung von Zirkoniumhydrid verursacht.
Quellen von Wasserstoff
Quellen von Wasserstoff, die Versprödung verursachen, wurden bei der Stahlherstellung, der Bearbeitung von Teilen, dem Schweißen, der Lagerung oder dem Einschluss von Wasserstoffgas und im Zusammenhang mit Wasserstoff als Verunreinigung in der Umwelt festgestellt, die oft als Nebenprodukt der allgemeinen Korrosion entsteht. Wasserstoff kann durch Korrosionsreaktionen wie Rostbildung, kathodischen Schutz und Galvanisieren erzeugt werden.
Wasserstoffversprödung von Edelstahl
Wie im untenstehenden Bild gezeigt, diffundiert Wasserstoff entlang der Korngrenzen und verbindet sich mit dem Kohlenstoff (C), der mit dem Eisen legiert ist, um Methangas zu bilden. Das Methangas ist nicht mobil und sammelt sich in kleinen Hohlräumen entlang der Korngrenzen, wo es enorme Drücke aufbaut, die Risse initiieren.
Wasserstoffversprödung
Wenn das Metall unter hoher Zugspannung steht, kann ein spröder Bruch auftreten. Bei normalen Raumtemperaturen werden die Wasserstoffatome in das Metallgitter aufgenommen und diffundieren durch die Körner, wobei sie dazu neigen, sich an Einschlüssen oder anderen Gitterfehlern zu sammeln. Wenn unter diesen Bedingungen Spannungsrisse auftreten, ist der Weg transgranular. Bei hohen Temperaturen neigt der aufgenommene Wasserstoff dazu, sich an den Korngrenzen zu sammeln, und spannungsinduzierte Risse sind dann intergranular. Es wird angenommen, dass die Rissbildung von martensitischen und ausscheidungsgehärteten Stahllegierungen eine Form der wasserstoffinduzierten Spannungsrisskorrosion ist, die durch das Eindringen eines Teils des atomaren Wasserstoffs in das Metall entsteht, der in der folgenden Korrosionsreaktion erzeugt wird.
Wasserstoffversprödung ist kein permanenter Zustand. Wenn keine Risse auftreten und die Umweltbedingungen so verändert werden, dass kein Wasserstoff auf der Oberfläche des Metalls erzeugt wird, kann der Wasserstoff aus dem Stahl rediffundieren, sodass die Duktilität wiederhergestellt wird.
Um das Problem der Wasserstoffversprödung anzugehen, wird der Schwerpunkt auf die Kontrolle der Menge an Restwasserstoff im Stahl, die Kontrolle der Wasserstoffaufnahme bei der Verarbeitung, die Entwicklung von Legierungen mit verbesserter Widerstandsfähigkeit gegen Wasserstoffversprödung, die Entwicklung von Beschichtungs- oder Plattierungsprozessen mit geringer oder keiner Versprödung und die Begrenzung der Menge an in-situ (an Ort und Stelle) eingeführtem Wasserstoff während der Lebensdauer eines Teils gelegt.
Zusammenfassung
Die wichtigen Informationen in diesem Abschnitt sind unten zusammengefasst.
Zusammenfassung der Wasserstoffversprödung
Die Bedingungen, die für die Wasserstoffversprödung in Stahl erforderlich sind, sind das Vorhandensein von Wasserstoff und das Vorhandensein von Kohlenstoff im Stahl. Wasserstoff stammt aus:
- Herstellung von Stahl.
- Bearbeitung von Teilen.
- Schweißen.
- Lagerung oder Einschluss von Wasserstoffgas.
- Wasserstoff als Verunreinigung in der Umwelt (oft als Nebenprodukt der allgemeinen Korrosion erzeugt).
Wasserstoffversprödung ist das Ergebnis von Wasserstoff, der entlang der Korngrenzen diffundiert und sich mit Kohlenstoff verbindet, um Methangas zu bilden. Das Methangas sammelt sich in kleinen Hohlräumen entlang der Korngrenzen, wo es enorme Drücke aufbaut, die Risse initiieren und die Duktilität des Stahls verringern. Wenn das Metall unter hoher Zugspannung steht, kann ein spröder Bruch auftreten.