Waterstofembrittlement Begrijpen: Oorzaken, Effecten en Preventie

Waterstofembrittlement is het resultaat van de absorptie van waterstof door vatbare metalen, resulterend in verlies van duktiliteit en vermindering van de belastingdraagende capaciteit. Spanning onder de trekgrens van het embrittelde materiaal kan resulteren in scheuring en catastrofaal bros breuk. Waterstofembrittlement wordt ook aangeduid als waterstof-geïnduceerde scheuring of waterstofaanval.

Bij kamertemperatuur kunnen waterstofatomen in het metaalrooster worden geabsorbeerd en door de korrels diffunderen. De geabsorbeerde waterstof kan aanwezig zijn als atomaire of gecombineerde moleculaire vorm. Ongeacht de vorm, combineren de atomen of moleculen om kleine bellen te vormen aan metaalkorrelgrenzen. Deze bellen fungeren als drukconcentrators, de druk tussen de metaalkorrels opbouwend. De druk kan toenemen tot niveaus waar het metaal verminderde duktiliteit heeft, wat leidt tot de vorming van minieme scheuren binnen het materiaal. De scheuring is intergranulair. Dat wil zeggen, de scheur groeit langs de metaalkorrelgrenzen. (Voor meer over het onderwerp, zie Waterstofbelvorming en Waterstofembrittlement: Oorzaken en Preventieve Maatregelen.)

Een voorbeeld van storing door waterstofembrittlement wordt in de onderstaande figuur getoond. De linker afbeelding toont een macroscopisch zicht van een gescheurde, gechroomde staalbout. De rechter afbeelding toont een scanning elektronenmicroscopie afbeelding van het breukoppervlak. Het gefacetteerde uiterlijk van het breukoppervlak is indicatief voor intergranulaire breuk. De bout werd embritteld tijdens het chroom electroplateringsproces.

Er zijn drie vereiste factoren voor storing door waterstofembrittlement:

1. Een vatbaar materiaal
2. Blootstelling aan een omgeving die waterstof bevat
3. De aanwezigheid van trekkspanning als gevolg van residuele en/of toegepaste spanning

Hoogsterkte koolstofstaal en laag-gelegerde stalen zijn de legeringen die het meest kwetsbaar zijn voor waterstofembrittlement. Stalen met een uiteindelijke trekksterkte van minder dan 1000 MPa of hardheid van minder dan 30 HRC worden over het algemeen niet als vatbaar voor waterstofembrittlement beschouwd. (Een ander voorbeeld kan gevonden worden in het artikel Waterstofembrittlement Kwesties met Zink: Nieuwe Richtlijnen Besproken.)

Waterstof treedt in en diffuseert door een metaaloppervlak bij omgevingstemperatuur of verhoogde temperaturen. Dit kan tijdens diverse fabricage- en montageoperaties of operationeel gebruik gebeuren — overal waar het metaal in contact komt met atoamire of moleculaire waterstof.

Processen die tot waterstofembrittlement kunnen leiden, omvatten fosfateren, zuurbeizen, electroplateren en booglassen. Tijdens deze processen is er een mogelijkheid van absorptie van waterstof door het materiaal. Bijvoorbeeld, tijdens booglassen, wordt waterstof vrijgegeven uit vocht (bijvoorbeeld in de coating van de laselektrodes; om dit te minimaliseren, worden speciale laag-waterstof elektrodes gebruikt voor het lassen van hoogsterkte stalen).

Tijdens gebruik, kan waterstof in metaal worden geïntroduceerd als gevolg van corrosie, chemische reacties van metaal met zuren, of met andere chemicaliën — met name waterstofsulfide in sulfide stress scheuring.

Wat betreft de spanning om breuk te veroorzaken, kan zelfs residuele spanning binnen een component voldoende zijn.

Stappen die genomen kunnen worden om waterstofembrittlement te voorkomen, omvatten het verminderen van waterstofblootstelling, evenals bakken na plateren en de overige verwerking die tot waterstofabsorptie leiden. Het bakken laat de waterstof uit het metaal diffunderen. Als bakken geen optie is, dan is het gebruik van lagere sterkte stalen en het verminderen van de residuele en toegepaste spanning mogelijke manieren om breuk door waterstofembrittlement te voorkomen. Deze kunnen de beste opties zijn voor omstandigheden die resulteren in waterstofabsorptie terwijl een component in dienst is.