Wasserstoffversprödung

Unter der Wasserstoffversprödung versteht man die Änderung der Duktilität (Dehnbarkeit) von Metallen, genauer ihrer Sprödigkeit, die durch das Eindringen und die Einlagerung von Wasserstoff in ihr Metallgitter verursacht wird. Diese Folge einer Korrosion ähnelt einer Materialermüdung – in der Folge kommt es zu wasserstoffinduzierter Rissbildung, womit insbesondere der Einsatz anfälliger Materialien zur Wasserstoffspeicherung begrenzt wird.

Effekt

Die Wasserstoffversprödung tritt auf, wenn auf der Metalloberfläche - entweder durch Wasserstoffkorrosion oder aber bei einer anderen chemischen Reaktion in der Metallverarbeitung, an der Wasserstoff beteiligt ist (z. B. beim Beizen) – atomarer Wasserstoff entsteht, der schneller in den Werkstoff diffundiert, als er sich an der Werkstoffoberfläche zu nicht diffusionsfähigen H₂-Molekülen zusammenfügt. Ein Teil des Wasserstoffs wird dabei in das Metallgitter eingelagert, und es kann, wie im Falle von Titan, ein Metallhydrid entstehen. In anderen Fällen lagert sich der Wasserstoff bevorzugt an Fehlstellen oder Korngrenzen ab. Das Resultat ist in beiden Fällen eine Versprödung des Metalls.

Bei hinreichend großen Zugeigen- und/oder -lastspannungen besteht die Gefahr eines verzögerten Sprödbruchs. Man spricht von einem verzögerten Sprödbruch, weil die Schädigung Zeit braucht und der Werkstoff aufgrund der Gleitblockierungen fast ohne Verformung bricht. Dieser Effekt ähnelt einer Spannungsrisskorrosion und beschränkt den Einsatz von Metallen zur Wasserstoffspeicherung.

Vorgang

Durch bestimmte chemische Reaktionen gebildeter atomarer Wasserstoff dringt in das Gefüge metallischer Werkstoffe ein, wo er an Gitterstörstellen wieder zu molekularem Wasserstoff rekombiniert und dort verbleibt. Die damit verbundene Druckerhöhung führt zu inneren Spannungen und zu einer Versprödung des Werkstoffes, ohne dass dadurch eine Erhöhung der Festigkeit eintritt. Im Endergebnis entstehen schließlich Risse, die sich von innen nach außen ausbreiten. Bei der Spannungsrisskorrosion diffundiert der während des Korrosionsvorganges entstandene Wasserstoff zur Rissspitze und beschleunigt dort die Rissgeschwindigkeit.

Wasserstoffversprödung bei Stahl

Stahl und auch Titan sind oft von Versprödung betroffen, wenn sie über längere Zeit mit Wasserstoff in Kontakt waren. Bei den Stählen bilden jedoch die austenitischen Edelstähle (z. B. CrNi-Stähle) eine Ausnahme. Diese sind weitgehend unempfindlich gegen Wasserstoffversprödung und gehören zu den Standardwerkstoffen der Wasserstofftechnik. Höherfeste Stähle mit einem hohen Martensitgehalt und einer Streckgrenze größer ca. 800 MPa sind besonders gefährdet, durch die Wasserstoffversprödung geschädigt zu werden.

Die Wasserstoffversprödung tritt insbesondere beim Schweißen und beim galvanischen Verzinken von Stählen mit hoher Zugfestigkeit (z. B. Schrauben ab Festigkeitsklasse 10.9 und höher) auf. Der Wasserstoff wird an dem kathodisch geschalteten Stahl gebildet und diffundiert in den Stahl. Damit die Schraube den Wasserstoff wieder abgibt, muss sie umgehend einer mehrstündigen Wärmebehandlung bei ca. 200–300 °C (Wasserstoffarmglühen) unterzogen werden. Da Wasserstoff schon bei geringen Temperaturen eine hohe Diffusionsgeschwindigkeit aufweist, ist es möglich bei Temperaturen von bis zu 200 °C den Wasserstoff aus dem Stahl auszutreiben ohne ihn metallurgisch zu verändern.

Wasserstoffversprödung bei Kupfer

Unter der Wasserstoffversprödung versteht man die Entstehung von Rissen und Hohlräumen in sauerstoffhaltigen Kupfersorten, wie dem E-Cu58 oder E-Cu57 (nach DIN 1787), beim Kontakt mit wasserstoffhaltigen Gasen. Diese Kupfersorten werden aufgrund ihrer hohen elektrischen Leitfähigkeit hauptsächlich in der Elektrotechnik eingesetzt. Ihre Herstellung erfolgt nicht unter dem Ausschluss von Sauerstoff, so dass geringe Mengen an Kupfer(I)-oxid (Cu₂O) darin enthalten sind.

Beim Erhitzen über 500 °C, zum Beispiel beim Schweißen oder Löten, diffundiert der Wasserstoff in das Metall und reagiert mit dem Kupfer(I)-oxid gemäß folgender Reaktion:

$ \mathrm {Cu_{2}O+H_{2}\ \longrightarrow \ 2\ Cu+H_{2}O\ (Dampf).} $

Der Wasserdampf sprengt das Gefüge, weil das Kupfer(I)-oxid als dünnes Netzwerk von Cu-Cu₂O-Eutektikum auf den Korngrenzen liegt. Dieses Phänomen wird auch Wasserstoffkrankheit genannt.

Siehe auch

• Verfahren der Sekundärmetallurgie zum Entgasen von flüssigen Metallen

Literatur

• Hydrogen embrittlement, revisited by in situ electrochemical nanoindentation (PDF-Datei; 11,49 MB)
• Hydrogen embrittlement (PDF-Datei; 838 kB)
• Risse in feuerverzinkten Stahlkonstruktionen - H.A. Haslinger (PDF-Datei; 1.5 MB)