Een inleiding tot waterstofbrosheid

Waterstofbrosheid is het resultaat van de absorptie van waterstof door gevoelige metalen, wat resulteert in het verlies van ductiliteit en vermindering van het draagvermogen. Spanning onder de vloeigrens van het brosse materiaal kan leiden tot scheuren en catastrofale brosse breuk. Waterstofbrosheid wordt ook wel waterstof-geïnduceerde scheurvorming of waterstofaanval genoemd.

Bij kamertemperatuur kunnen waterstofatomen in het metaalrooster worden opgenomen en door de korrels diffunderen. De geabsorbeerde waterstof kan aanwezig zijn als een atomaire of gecombineerde moleculaire vorm. Ongeacht de vorm, combineren de atomen of moleculen om kleine belletjes te vormen aan de metaalkorrelgrenzen. Deze bellen fungeren als drukconcentratoren, waardoor de druk tussen de metaalkorrels wordt opgebouwd. De druk kan oplopen tot niveaus waarbij het metaal een verminderde taaiheid heeft, waardoor er minuscule scheurtjes in het materiaal ontstaan. Het kraken is intergranulair. Dat wil zeggen, de scheur groeit langs de metaalkorrelgrenzen. (Zie voor meer informatie over het onderwerp Waterstofblaren en waterstofverbrossing:oorzaken en preventieve maatregelen.)

Een voorbeeld van een storing door waterstofbrosheid is weergegeven in onderstaande figuur. De linkerafbeelding toont een macroscopisch beeld van een gebroken, verchroomde stalen bout. De rechter afbeelding toont een scanning elektronenmicroscoop afbeelding van het breukoppervlak. Het gefacetteerde uiterlijk van het breukoppervlak is indicatief voor intergranulaire breuk. De bout werd bros tijdens het galvaniseren van chroom.

Gebroken bout en scanning elektronenmicroscoopbeeld van breukvlak.

Er zijn drie vereiste factoren voor falen als gevolg van waterstofbrosheid:

1. Een gevoelig materiaal
2. Blootstelling aan een omgeving die waterstof bevat
3. De aanwezigheid van trekspanning als gevolg van rest- en/of toegepaste spanning

Koolstofstaal met hoge sterkte en laaggelegeerd staal zijn de legeringen die het meest kwetsbaar zijn voor waterstofbrosheid. Staalsoorten met een treksterkte van minder dan 1000 MPa of een hardheid van minder dan 30 HRC worden over het algemeen niet als gevoelig voor waterstofbrosheid beschouwd. (Een ander voorbeeld is te vinden in het artikel Problemen met waterstofbrosheid met zink:nieuwe richtlijnen besproken.)

Waterstof komt binnen en diffundeert door een metalen oppervlak bij omgevings- of verhoogde temperaturen. Dit kan gebeuren tijdens verschillende fabricage- en assemblagehandelingen of operationeel gebruik - overal waar het metaal in contact komt met atomaire of moleculaire waterstof.

Processen die kunnen leiden tot waterstofbrosheid zijn onder meer fosfateren, zuurbeitsen, galvaniseren en booglassen. Tijdens deze processen bestaat de mogelijkheid van absorptie van waterstof door het materiaal. Zo komt bij het booglassen waterstof vrij uit vocht (bijvoorbeeld in de coating van de laselektroden; om dit te minimaliseren worden speciale waterstofarme elektroden gebruikt voor het lassen van hogesterktestalen).

Tijdens gebruik kan waterstof in metaal terechtkomen als gevolg van corrosie, chemische reacties van metaal met zuren of met andere chemicaliën, met name waterstofsulfide bij spanningsscheuren door sulfide.

Wat betreft de spanning om breuk te veroorzaken, kan zelfs restspanning in een onderdeel voldoende zijn.

Stappen die kunnen worden genomen om waterstofbrosheid te voorkomen, zijn onder meer het verminderen van de blootstelling aan waterstof, evenals het bakken na het plateren en de andere bewerkingen die tot waterstofabsorptie leiden. Door het bakken kan de waterstof uit het metaal diffunderen. Als bakken geen optie is, dan zijn het gebruik van staal met een lagere sterkte en het verminderen van de resterende en toegepaste spanning mogelijke manieren om breuk als gevolg van waterstofbrosheid te voorkomen. Dit kunnen de beste opties zijn voor omstandigheden die leiden tot waterstofabsorptie terwijl een onderdeel in bedrijf is.

***
Het artikel en de afbeeldingen verschenen eerder op https://www.imetllc.com/hydrogen-embrittlement-steel/ . Met toestemming herdrukt. Copyright Industrial Metallurgists, LLC .