Wasserstoffversprödung

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Wasserstoffversprödung

Unter der Wasserstoffverspr√∂dung versteht man die √Ąnderung der Duktilit√§t (Dehnbarkeit) von Metallen, genauer ihrer Spr√∂digkeit, die durch das Eindringen und die Einlagerung von Wasserstoff in ihr Metallgitter verursacht wird. Diese Korrosion √§hnelt einer Materialerm√ľdung ‚Äď in der Folge kommt es zu wasserstoffinduzierter Rissbildung, womit insbesondere der Einsatz anf√§lliger Materialien zur Wasserstoffspeicherung begrenzt wird.

Inhaltsverzeichnis

Effekt

Die Wasserstoffverspr√∂dung tritt auf, wenn auf der Metalloberfl√§che - entweder durch Wasserstoffkorrosion oder aber bei einer anderen chemischen Reaktion in der Metallverarbeitung, an der Wasserstoff beteiligt ist (z. B. beim Beizen) ‚Äď atomarer Wasserstoff entsteht, der schneller in den Werkstoff diffundiert, als er sich an der Werkstoffoberfl√§che zu nicht diffusionsf√§higen H2-Molek√ľlen zusammenf√ľgt. Ein Teil des Wasserstoffs wird dabei in das Metallgitter eingelagert, und es kann, wie im Falle von Titan, ein Metallhydrid entstehen. In anderen F√§llen lagert sich der Wasserstoff bevorzugt an Fehlstellen oder Korngrenzen ab. Das Resultat ist in beiden F√§llen eine Verspr√∂dung 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 Gef√ľge metallischer Werkstoffe ein, wo er an Gitterst√∂rstellen wieder zu molekularem Wasserstoff rekombiniert und dort verbleibt. Die damit verbundene Druckerh√∂hung f√ľhrt zu inneren Spannungen und zu einer Verspr√∂dung des Werkstoffes, ohne dass dadurch eine Erh√∂hung der Festigkeit eintritt. Im Endergebnis entstehen schlie√ülich Risse, die sich von innen nach au√üen ausbreiten.

Wasserstoffversprödung bei Stahl

Stahl und auch Titan sind oft von Verspr√∂dung betroffen, wenn sie √ľber l√§ngere Zeit mit Wasserstoff in Kontakt waren. Bei den St√§hlen bilden jedoch die austenitischen Edelst√§hle (z. B. CrNi-St√§hle) eine Ausnahme. Diese sind weitgehend unempfindlich gegen Wasserstoffverspr√∂dung und geh√∂ren zu den Standardwerkstoffen der Wasserstofftechnik. H√∂herfeste St√§hle mit einem hohen Martensitgehalt und einer Streckgrenze gr√∂√üer 800 MPa sind besonders gef√§hrdet, durch die Wasserstoffverspr√∂dung gesch√§digt zu werden.

Die Wasserstoffverspr√∂dung tritt insbesondere beim Schwei√üen und beim galvanischen Verzinken von St√§hlen mit hoher Zugfestigkeit (z. B. Schrauben ab Festigkeitsklasse 10.9 und h√∂her) 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 mehrst√ľndigen W√§rmebehandlung bei ca. 200‚Äď300 ¬įC (Wasserstoffarmgl√ľhen) unterzogen werden. Da Wasserstoff schon bei geringen Temperaturen eine hohe Diffusionsgeschwindigkeit aufweist, ist es m√∂glich bei Temperaturen von bis zu 200¬įC den Wasserstoff aus dem Stahl auszutreiben ohne ihn metallurgisch zu ver√§ndern.

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 √ľber 500 ¬įC, zum Beispiel beim Schwei√üen oder L√∂ten, diffundiert der Wasserstoff in das Metall und reagiert mit dem Kupfer(I)-oxid gem√§√ü folgender Reaktion:

\mathrm{Cu_2O + H_2 \ \longrightarrow \ 2 \ Cu + H_2O \ (Dampf).}

Der Wasserdampf sprengt das Gef√ľge, weil das Kupfer(I)-oxid als d√ľnnes Netzwerk von Cu-Cu2O-Eutektikum auf den Korngrenzen liegt. Dieses Ph√§nomen wird auch Wasserstoffkrankheit genannt.

Siehe auch

Literatur


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