Anwendungsbeispiel: Wasserstoffinduzierte Brüche an Schrauben und Schraubverbindungen

Bei Schraubverbindungen mit hochfesten Schrauben (etwa ab Festigkeitsklasse 6.8) können scheinbar unerklärliche, spontane Brüche auftreten, meist zeitverzögert, also nicht direkt nach der Montage, sondern im Einsatz. In solchen Fällen besteht der Verdacht auf Wasserstoffversprödung als Ursache für eine Rissentstehung, die letztlich zum Bruch führt.

Wasserstoffinduzierte Brüche sind von Ermüdungsbrüchen zu unterscheiden, bei denen der Bruch durch die Betriebs­bean­spruchung mit wechselnden Lasten verursacht ist, ebenso von Gewaltbrüchen, die durch Überlastung entstehen. Die Wasserstoffversprödung wird in der Regel durch atomaren (nicht molekularen) Wasserstoff verursacht, der im Eisengitter gelöst ist, dort auch bei Raumtemperatur leicht diffundieren kann und eine Versprödung verursacht. Anhand der Bruchflächenmorphologie lässt sich die Wasserstoffversprödung gut von anderen Bruchmechanismen unterscheiden. Wasserstoffinduzierte Brüche verlaufen häufig interkristallin. Oftmals sind Poren und mikroplastischen Verformungslinien („Krähenfüße“) auf den Kornflächen sichtbar.

Als Quelle des atomaren Wasserstoffs kommen verschiedene Umstände in Frage:

• Stahlherstellung (im flüssigen Eisen ist Wasserstoff sehr gut löslich),
• Galvanische Prozesse, bei denen als Nebeneffekt Wasserstoff freigesetzt wird (z.B. Verzinken), oder auch vorgelagerte Beizprozesse
• Aufkohlen mittels gasförmiger Aufkohlungsmedien, die H2 oder CH4 enthalten,
• Sauergas (H2S-haltige Medien),
• Korrosion (Entwicklung von H an der Kathode).

Um zu prüfen, ob Schrauben für wasserstoffinduzierte Versprödung anfällig sind, gibt es mehrere Möglichkeiten:

• Messung des Wasserstoffgehalts mittels Trägergas-Heißextraktion
• Verspannungstests
• Slow Strain Rate Tests (SSRT, langsamer Zugversuch mit Dehnungsgeschwindigkeiten < 10-5 s-1)

Um wasserstoffinduzierte Versprödung zu verhindern, können diverse Maßnahme ergriffen werden:

• Vermeiden von Wasserstoffquellen. Dies ist nicht immer möglich, z.B. beim galvanischen Verzinken. Geeignete prozesstechnische Maßnahmen beim Beizen bzw. Beschichten können den Wasserstoffeintrag senken.
• Austreiben gelösten Wasserstoffs durch geeignetes Warmauslagern (ab ca. 200°C, Dauer je nach Schraubendurchmesser und evtl. Deckschicht).

Unsere FuE-Leistungen zum Aufklären und Vermeiden von Wasserstoffversprödung bei Schrauben und Schraubverbindungen.

• Analyse von Bruchflächen und Aufklären der Schadensursache
• Messung der Wasserstoffdiffusion und des Wasserstoffgehaltes
• Zugversuche oder weitere mechanische Tests unter Wasserstoffatmosphäre
• Ableiten von Empfehlungen zur Schadensvermeidung

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