Wasserstoffinduzierte Sprödbrüche

Betina RentschlerRobert Bosch GmbH, FV/PLM3, D -71701 Schwieberdingen

1. Einführung

Wechselwirkungen eines Werkstoffes mit Wasserstoff können zur Beeinträchtigung derWerkstoffeigenschaften und damit des Werkstoffverhaltens führen. Allgemein werden diedadurch verursachten Bauteilschädigungen unter dem Begriff �Wasserstoffversprödung�zusammengefasst. Sie sind noch immer von großer technischer Bedeutung und verursachenbeträchtliche wirtschaftliche Schäden. Im Folgenden werden die unterschiedlichenWasserstoffquellen und damit verbundenen Bruchmorphologien aufgezeigt.

2. Wasserstoffbedingte Schäden an metallischen Werkstoffen

Bei allen genannten Vorgängen dringt Wasserstoff nur in atomarer Form in den Werkstoffein. Der atomar diffusible Wasserstoff reichert sich in unter Zugspannungen liegendenBereichen an.Die Bruchiniziierung beruht auf den verminderten Bindungskräften der Metallatome imGitter durch Wechselwirkung mit Wasserstoffatomen (Dekohäsionstheorie).

2.1 Verzögerter wasserstoff-(H)-induzierter Sprödbruch

2.1.1 Entstehung

Die Wasserstoffbeladung erfolgt z.B. während der Wärmebehandlung (Gasatmosphäre), beimSchweißen oder bei galvanischen Prozessen. Der Werkstoff muss unter kritischenZugspannungen stehen und eine Zugfestigkeit Rm ≥ 1000 N/mm² aufweisen. In der Regeltreten Brüche bei kritischer Kombination von Zugspannungen und Wasserstoffkonzentrationerst einige Zeit nach der Wasserstoffaufnahme auf, da die Versprödungseffektediffusionsgesteuert sind.

2.1.2 Bruchbild

Überwiegend tritt ein interkristalliner Bruch mitden für Wasserstoff typischen Merkmalen auf :klaffende Korngrenzen , mikroduktile Anteile(Krähenfüße) und Porenbildung auf denKorngrenzflächen (Bild 1)

Bild 1: H-induzierter interkristalliner Sprödbruch

2.2 Wasserstoff-(H)-induzierte Spannungsrisskorrosion

2.2.1 Entstehung

Bei der Korrosion in wässrigen Kondensaten schwacher Säuren entsteht immer in gewissenMengen Wasserstoff, der normalerweise als H2-Gas entweicht und so unschädlich ist. BeiVorhandensein bestimmter Promotoren (z.B. H2S) kann keine Rekombination des atomarenWasserstoffs zu H2 erfolgen, so dass atomarer Wasserstoff hoher Aktivität in das Metallgitterdiffundieren kann.

2.2.2 Bruchbild

An der Oberfläche im Bereich des Bruchausganges sind Hinweise aufKorrosionsschädigungen nachweisbar (Bild 2 und 3). Der Bruchverlauf ist in diesem Falleines höherfesten Stahles interkristallin mit den wasserstofftypischen Merkmalen (Bild 3).

Bild 2: Übersicht mit Bruchausgang Bild 3: Korrosionsnarben und H-induzierterinterkristalliner Sprödbruch

2.3 Wasserstoff-(H)-induzierter Bruch an nichtmetallischen Einschlüssen(NME)

2.3.1 Entstehung

Vorwiegend wurde das Phänomen bei einsatzgehärteten Bauteilen mit dünnen durchgekohltenQuerschnitten oder bei umgeformten einsatzgehärteten Bauteilen beobachtet. Der imWerkstoff gelöste atomare Wasserstoff kann sich im Bereich von gröberen Einschlüssenanreichern und zu molekularem Wasserstoff rekombinieren, was zum Aufbau hoher lokalerDrücke führt. Es entstehen irreversible Schäden, die als Blasen, Flocken und Fischaugenbekannt sind.

2.3.2 Bruchbild

Es liegt meist ein transkristalliner Bruch mit aufgefiederten Spaltflächen vor, der sichlinsenförmig um den Einschluss anordnet (Bild 4). Das Bruchbild kann einem normalenSpaltbruch oder auch einem Schwingbruch ähneln. In nachfolgendem Beispiel (Bild 5) wirdein H-induzierter transkristalliner Spaltbruch, ausgehend von einem Al-Ca-Oxid-Einschluss

dargestellt. Im Übergang zum anschließenden Schwingbruch treten kleinere Bereiche mitinterkristallinem Sprödbruch auf, die vermutlich durch veränderte Rissausbreitungsge-schwindigkeiten entstehen (Bild 6).

Bild 4: Übersicht

Bild 5: H-induzierter transkristalliner Bild 6: H-induzierter interkristallinerSprödbruch Sprödbruch und anschließend

Schwingbruchstruktur

3. Abhilfemaßnahmen

Zur Vermeidung von wasserstoffinduzierten Brüchen können verschiedene Maßnahmenwirksam angewendet werden:

• Verlängerung der Anlassdauer zur H-Effusion

• Erhöhung der Anlasstemperatur zur H-Effusion (es kommt zu einem Härteabfall, dermöglicherweise zu Problemen mit Verschleiß und Festigkeit führen kann)

• Unterdruck-Wärmebehandlung (geringes H-Angebot während der Aufkohlungsphase)

• Verbesserung des Makro- und/oder Mikroreinheitsgrades (im Fall desEinschlussversagens)

4. Zusammenfassung

Es wurden drei verschiedene Erscheinungsbilder der Wasserstoffversprödung dargestellt.Gemeinsamkeiten und Unterschiede in der Entstehung bzw. Charakteristika wurdenaufgeführt. Des weiteren wurde auf die Erkennung der unterschiedlichen Bruchmorphologienhingewiesen und einige Abhilfemaßnahmen aufgeführt .

Einschluss: Al-Ca-Oxid

Literatur:

Dieter Kuron (Hrsg.) Wasserstoff und Korrosion, Verlag Irene Kuron Bonn 2000Elisabeth Wendler-Kalsch, Hubert Gräfen, Korrosionsschadenkunde, Springer-Verlag BerlinHeidelberg 1998Erscheinungsformen von Rissen und Brüchen metallischer Werkstoffe, Verlag StahleisenGmbH Düsseldorf 1996