Wasserstoffversprödung
Wenn Metalle plötzlich versagen, ohne dass eine sichtbare Überlastung vorliegt, steckt häufig Wasserstoffversprödung dahinter. Besonders hochfeste Stähle reagieren empfindlich auf eingelagerten Wasserstoff, wodurch die Zähigkeit des Materials erheblich reduziert werden kann. Die Schädigung tritt oft zeitverzögert und ohne sichtbare Anzeichen auf, was sie besonders kritisch für sicherheitsrelevante Bauteile macht. In diesem Beitrag erfahren Sie, wie Wasserstoffversprödung entsteht, welche Werkstoffe besonders anfällig sind und mit welchen materialographischen Untersuchungen sowie normgerechten Prüfverfahren sich Schäden erkennen und vermeiden lassen.
Inhaltsverzeichnis
- Was ist Wasserstoffversprödung?
- Wie kommt es zur Wasserstoffversprödung?
- Wasserstoffversprödung erkennen
- Unterschied: Korrosion und Wasserstoffversprödung
- Zwei Arten von wasserstoffinduzierten Brüchen
- Prüfverfahren und Analysemaßnahmen – Wasserstoffversprödung erkennen
- Welche Materialien sind anfällig für Wasserstoffversprödung?
- Wie kann Wasserstoffversprödung verhindert werden?
- Am häufigsten betroffenen Industrien von HE
- Häufig gestellte Fragen zur Wasserstoffversprödung
- Kurz zusammengefasst: Wasserstoffversprödung
Kontaktieren Sie uns –
die passende Lösung ist oft näher als Sie denken.
Mit modernsten Analyseverfahren unterstützen wir Sie bei Qualitätsproblemen, Schadensfällen und Entwicklungsherausforderungen – präzise, fundiert und lösungsorientiert.
Was ist Wasserstoffversprödung?
Wasserstoffversprödung (engl. Hydrogen Embrittlement, kurz HE) ist ein Phänomen, bei dem sich die Festigkeit und Zähigkeit von metallischen Werkstoffen ändert. Ursache ist das Eindringen von Wasserstoff in das Metallgitter. Das hat zur Folge, dass sich die mechanischen Eigenschaften verschlechtern und es zu wasserstoffinduzierter Rissbildung kommt. Hierdurch werden die Werkstoffe spröde und anfälliger für Brüche unter Spannung. Wasserstoffversprödung ist ein werkstofftechnischer Schädigungsmechanismus, der häufig in Verbindung mit Korrosionsprozessen auftritt und einer Materialermüdung ähneln kann.
Kurz erklärt: Sprödigkeit
Um den Materialschädigungsmechanismus einer Wasserstoffversprödung zu verstehen, muss der Begriff der Sprödigkeit definiert werden. Darunter versteht man das Verhalten eines Werkstoffs, der sich unter Belastung kaum plastisch verformt und deshalb plötzlich brechen kann. Typische spröde Materialien sind Glas oder Keramik, die bereits bei vergleichsweise geringer Verformung brechen.
Wie kommt es zur Wasserstoffversprödung?
Als kleinstes Atom kann Wasserstoff (H) in die Mikrostruktur von Metallen eindringen. Nachdem atomarer Wasserstoff an der Metalloberfläche adsorbiert wurde, diffundiert er in das Werkstoffinnere und sammelt sich bevorzugt an spannungskonzentrierten Bereichen wie Kerben, Einschlüssen oder anderen Materialfehlern. Wasserstoff kann aus verschiedenen Quellen stammen, beispielsweise aus feuchter Luft, Säuren, Schweißprozessen oder Wasserstoffgas. Unter hoher mechanischer Belastung führt der eingelagerte Wasserstoff zur Bildung von Sprödbrüchen, die sich mit der Zeit weiter ausbreiten. Derartige kritische Spannungszustände entstehen häufig auch durch Eigenspannungen, die bei Fertigungsprozessen wie Walzen, Umformen oder Schweißen im Werkstoff zurückbleiben.
Kurz gesagt: Mechanismus der Wasserstoffversprödung
Wasserstoffversprödung tritt nur dann auf, wenn drei elementare Bedingungen gleichzeitig erfüllt sind:
- Wasserstoff ist vorhanden.
- Das Bauteil ist einer dauerhaften Spannung ausgesetzt.
- Das Material ist anfällig für diesen Einfluss.
Wasserstoffversprödung erkennen
mit Quality Analysis
Wasserstoffversprödung zählt zu den heimtückischsten Formen werkstofftechnischer Schädigung – oft unsichtbar, aber sicherheitsrelevant. Bei Quality Analysis kommen gezielt verknüpfte Analyse- und Prüfverfahren zum Einsatz, um betroffene Materialien umfassend zu untersuchen, Schadensursachen aufzudecken und Risiken zuverlässig zu bewerten.
Unsere Schwerpunkte:
- Metallographische Gefügeuntersuchungen zur Identifikation von Mikrorissen, Korngrenzenversprödung und interkristalliner Rissbildung
- Industrielle Computertomographie (CT) zur zerstörungsfreien Prüfung auf innere Defekte und Rissstrukturen
- Schweißnaht- und Oberflächenanalysen zur Bewertung von Eigenspannungen, Wasserstoffeinträgen und prozessbedingten Einflüssen
- Chemische Analytik zur Identifikation von Rückständen und potenziellen Wasserstoffquellen auf Bauteiloberflächen
- Korrosionsprüfungen zur Bewertung des Werkstoffverhaltens unter umgebungsbedingtem Wasserstoffeintrag
- Schadensanalysen zur Ursachenbestimmung bei sprödem Bauteilversagen – basierend auf strukturmechanischer und mikroanalytischer Auswertung
Unterschied: Korrosion und Wasserstoffversprödung
Da sowohl Korrosion als auch Wasserstoffversprödung Materialien schwächen und zu Rissen oder Brüchen führen können, kommt es oft zu Verwechslungen. Beide Phänomene treten häufig in ähnlichen Umgebungen auf, werden aber durch unterschiedliche Mechanismen verursacht.
Externe Schädigung: Materialversagen durch Korrosion
Korrosion ist ein chemischer oder elektrochemischer Prozess, bei dem ein Metall mit seiner Umgebung reagiert. Dabei zersetzt es sich und Schwächungen wie Rost, Lochfraß oder Spannungsrisskorrosion treten auf. Diese Veränderungen sind in der Regel sichtbar und betreffen vor allem die Oberfläche des Materials.
Interne Werkstoffschädigung: Wasserstoffversprödung
Wasserstoffversprödung hingegen ist ein innerer Schädigungsmechanismus, bei dem Wasserstoffatome in das Metallgitter eindringen und die Zähigkeit des Materials vermindern. Der Werkstoff wird dadurch spröde und kann plötzlich und ohne äußere Anzeichen brechen.
Zwei Arten von wasserstoffinduzierten Brüchen
Je nachdem, auf welchem Weg der Wasserstoff in das Material gelangt, unterscheidet man zwei Hauptformen des wasserstoffinduzierten Versagens: interne und externe Wasserstoffversprödung. Beide Mechanismen führen zu einem spröden Bruchverhalten, unterscheiden sich jedoch in ihrer Ursache und den Bedingungen, unter denen sie auftreten. Grundsätzlich liegt der wesentliche Unterschied in dem Zeitpunkt der Absorption: während der Herstellung oder nach der Montage.
Interne Wasserstoffversprödung (IHE)
Hierbei dringt Wasserstoff bereits während der Herstellung oder Verarbeitung in das Metall ein – etwa beim Schweißen, Galvanisieren oder durch chemische Reaktionen. Besonders das Beizen mit sauren Lösungen begünstigt diesen Effekt, da dabei Wasserstoff als Nebenprodukt entsteht, der sich im Material anreichert. Auch bei der galvanischen Beschichtung kann Wasserstoff aufgenommen werden, wenn er während des Prozesses auf der Oberfläche des Materials entsteht und in den Werkstoff eindringt.
Umweltbedingte Wasserstoffversprödung (EHE)
Die umweltbedingte Wasserstoffversprödung entsteht im Laufe der Betriebsdauer, wenn der Werkstoff – insbesondere in feuchter Umgebung – Wasserstoff aus äußeren Quellen aufnimmt. Hauptursache dafür ist meist eine korrosive Belastung, die durch elektrochemische Reaktionen in Anwesenheit von Wasser ausgelöst wird, insbesondere unter sauren oder chlorid-reichen Bedingungen.
Der dabei entstehende Wasserstoff kann in das Metall eindringen und sich bevorzugt an Rissspitzen anreichern. Dadurch wachsen vorhandene Mikrorisse weiter, wodurch der Versprödungsprozess zusätzlich beschleunigt wird.
Spätere Einsatzbedingungen berücksichtigen
Um das Risiko einer umweltbedingten Wasserstoffversprödung zu minimieren, müssen die späteren Einsatzbedingungen bereits in der Planungsphase berücksichtigt werden. Ist absehbar, dass eine Verbindung im Betrieb hoher oder wechselnder Feuchtigkeit ausgesetzt sein wird – beispielsweise an der Grenze zur Nutzungsklasse 2 –, ist eine besonders sorgfältige Auslegung erforderlich. Nutzungsklassen beschreiben die Feuchtebeanspruchung eines Bauteils im Betrieb – von trockenen Innenräumen (Klasse 1) bis zu dauerhaft feuchtebelasteten Außenbereichen (Klasse 3).
Eine bewährte Vorgehensweise besteht darin, Verbindungen vorsorglich einer höheren Nutzungsklasse zuzuordnen, um langfristige Risiken besser zu berücksichtigen. Dies führt zu einer angepassten Bemessung mit höheren Sicherheitsbeiwerten sowie dem Einsatz korrosionsbeständiger Werkstoffe. Dauerhafte Schutzmaßnahmen – etwa durch Abdichtungen, Schutzbahnen oder spezielle Schutzsysteme – tragen entscheidend zur Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Verbindung bei.
Prüfverfahren und Analysemaßnahmen – Wasserstoffversprödung erkennen
Werkstoffprüfung
Mechanische, physikalische und chemische Prüfverfahren helfen, Veränderungen in den Materialeigenschaften zu erkennen. Dazu zählen unter anderem Zugversuche, Härteprüfungen sowie Kerbschlagbiegeversuche, die Hinweise auf eine reduzierte Zähigkeit oder Versprödung liefern können.
Korrosionsprüfung
Praxisnahe Tests unter realitätsnahen Umweltbedingungen – etwa Salzsprühnebeltests oder zyklische Klimabelastungen – zeigen, wie widerstandsfähig ein Werkstoff gegenüber feuchten, sauren oder chloridhaltigen Umgebungen ist. So lässt sich das Risiko für wasserstoffinduzierte Schäden besser bewerten.
Schweißnahtprüfung
Da Schweißprozesse potenzielle Eintrittspunkte für Wasserstoff darstellen, werden Schweißnähte gezielt mittels zerstörender und zerstörungsfreier Verfahren (z. B. 2D-Röntgenprüfung, 3D-CT, Ultraschall) auf Fehlstellen wie Risse oder Poren untersucht.
Gefügeuntersuchung
Die metallografische Analyse – inklusive Lichtmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie (REM) und REM-EDX – erlaubt die Beurteilung des inneren Aufbaus eines Werkstoffs. Dabei werden Korngrößen, Einschlüsse, Phasengrenzen und mögliche Anreicherungen von Wasserstoff sichtbar gemacht.
Fraktografie
Die Bruchflächenanalyse mit Hilfe von REM-EDX zeigt typische Merkmale wasserstoffinduzierter Sprödbrüche wie interkristalline Rissführung oder flache Bruchflächen. So lässt sich nachträglich feststellen, ob Wasserstoffversprödung die Ursache eines Bauteilversagens war.
Anwendung 6
Lorem ipsum dolor sit amet, consetetur sadipscing elitr, sed diam nonumy eirmod tempor invidunt ut labore et dolore magna aliquyam erat, sed diam voluptua. At vero eos et accusam et justo duo dolores et ea rebum.
Flächenrauheit
Mit dem Laser-Scanning-Mikroskop untersuchen wir berührungslos die Oberflächenrauheit und -topografie von Metallen, Polymeren, Halbleitern, Keramiken, Mehrschichtsystemen u.v.m. So können wir die Qualität und Funktionsfähigkeit der Oberflächen sowie einen evtl. Materialverschleiß und Vertiefungen bewerten und dreidimensional darstellen.
Beschichtungen
Zur Untersuchung von Schutz- und Funktionsschichten setzen wir zahlreiche Analysetechniken ein, um die Schichtdicke, die Fusionslinie, die Oberflächentopografie, die Rauheit, die Mikrohärte u.v.m. zu bestimmen. Auch eine Begutachtung der Beschichtungsoberfläche und Bestimmung der Materialzusammensetzung der Beschichtung ist möglich.
Schichtdickenmessung
Die Schichtdickenmessung zusammengesetzter Polymere kann ebenfalls mit dem Laser-Scanning-Mikroskop mit einer Auflösung im Bereich weniger Nanometer erfolgen. Auch eine dreidimensionale Darstellung der einzelnen Schichten des jeweiligen Werkstücks ist mit dieser bewährten Untersuchungsmethode zuverlässig und mit hoher Genauigkeit möglich.
Rasterelektronenmikroskopie
Die Rasterelektronenmikroskopie ermöglicht eine hochauflösende und dreidimensionale Darstellung von Oberflächen und Strukturen sowie die Bestimmung der chemischen Zusammensetzung der Probe (EDX-Analyse). Die FIB-SEM-Mikroskopie erlaubt Probenpräparationen im Nanomaßstab zur Tiefenanalyse von Gefügestrukturen und Beschichtungen.
Zug- / Druck- / Biegeprüfung
Die Zug-, Druck- und Biegeprüfung gehören zum klassischen Repertoire der zerstörenden Werkstoffprüfung. Mit modernen Prüfeinrichtungen, einer umfassenden Kenntnis der relevanten Regelwerke und viel praktischer Erfahrung sorgen unsere Experten für die korrekte Durchführung der einzelnen Prüfungen.
Legierungszusammensetzung (OES)
Mittels der Funkenemissionsspektroskopie (OES) untersuchen wir einzelne Legierungselemente wie Eisen, Aluminium, Kupfer, Zink, Magnesium, Titan, Kobalt oder Nickel qualitativ und quantitativ auf ihre Zusammensetzung. Diese wird mit den in Normen und im Stahlschlüssel aufgelisteten Grenzwerten oder Ihren eigenen Vorgaben abgeglichen und bewertet.
Welche Materialien sind anfällig für Wasserstoffversprödung?
Die Wahl des richtigen Materials muss die individuellen Anforderungen von Wasserstoffinfrastrukturen erfüllen, um das Risiko der Wasserstoffversprödung so gering wie möglich zu halten. Je nach Material unterscheidet sich die werkstoffspezifische Anfälligkeit für wasserstoffinduzierten Bruch erheblich.
Wasserstoffversprödung bei Stahl
Stahl ist mit das häufigste Material, das von Versprödung betroffen ist. Dabei hängt die Gefährdung von der inneren Struktur des Stahls ab. Besonders hochfeste Stahlsorten, die beispielsweise für schwere Maschinen angewendet werden, sind problematisch. Der hohe Martensitgehalt gefährdet sie gegenüber wasserstoffbedingten Schädigungen. Die Zugabe verschiedener Metalle bei Legierungen (Verlinkung) beeinflusst die Anfälligkeit ebenfalls.
Dagegen sind sogenannte austenitische Stähle deutlich widerstandsfähiger, da sie den Wasserstoff viel langsamer aufnehmen. Gemeint sind z. B. CrNi-Stähle. Eine Erhöhung des Nickel-Anteils und eine Verringerung des Kohlenstoff-Anteils im Material verringert hier die Gefahr der Wasserstoffversprödung.
Wasserstoffeinfluss auf nichtmetallische Werkstoffe
Kunststoffe sind im klassischen Sinne nicht von Wasserstoffversprödung betroffen. Allerdings kann Wasserstoff unter Druck in die Polymerstruktur eindringen. Bei schneller Dekompression können sich Gasblasen bilden, die zu inneren Schädigungen oder zum Aufplatzen des Materials führen.
Aluminium- und Magnesiumlegierungen sind anfällig für reversible Wasserstoffversprödung, bei der sich die ursprünglichen mechanischen Eigenschaften durch langfristiges Entgasen wiederherstellen lassen. Bei trockenem, gasförmigem Wasserstoff zeigen diese Legierungen jedoch keine Empfindlichkeit für Wasserstoffversprödung.
Wie kann Wasserstoffversprödung verhindert werden?
Vermeidung von Wasserstoffquellen
Reduzierung der Exposition gegenüber Wasserstoff, z. B. durch Kontrolle von Korrosionsprozessen oder Vermeidung von Kontakt mit wasserstoffhaltigen Medien.
Verwendung korrosionsbeständiger Materialien
Einsatz von legierten oder beschichteten Materialien, die besser gegen Wasserstoffaufnahme und -diffusion geschützt sind.
Beschichtungen und Oberflächenbehandlungen
Oxid- oder Passivierungsschichten können als Barriere dienen, um das Eindringen von Wasserstoff in das Metall zu verhindern.
Temperaturkontrolle
Vermeidung von hohen Temperaturen, da diese die Wasserstoffdiffusion und -aufnahme erhöhen können.
Optimierung der Werkstoffauswahl
Materialien mit niedriger Wasserstofflöslichkeit oder speziell entwickelte wasserstoffbeständige Legierungen können das Risiko verringern.
Kontrolle von Spannungen
Reduzierung der mechanischen Spannungen im Material, z. B. durch Wärmebehandlung, um die Bildung von Rissen und die Wasserstoffaufnahme zu verhindern.
Entgasen
Längerfristiges Entgasen von Werkstoffen kann dazu beitragen, eingeschlossenen Wasserstoff wieder aus dem Material zu entfernen.
Am häufigsten betroffenen Industrien von Wasserstoffversprödung
Wasserstoffversprödung tritt in verschiedenen Industrien auf, in denen Materialien extremen Belastungen und wasserstoffhaltigen Umgebungen ausgesetzt sind.
Luft- und Raumfahrt
In dieser Branche ist die Materialintegrität von entscheidender Bedeutung. Wasserstoffversprödung kann bei Flugzeugteilen und Raketenstrukturen zu plötzlichem Versagen führen, was die Sicherheit gefährden könnte.
Automotive
Besonders bei hochfesten Stählen, die in Fahrzeugrahmen und anderen kritischen Bauteilen verwendet werden, kann Wasserstoffversprödung die strukturelle Integrität beeinträchtigen und zu unvorhergesehenem Materialversagen führen.
Energie & Infrastruktur
In der Öl- und Gasindustrie sowie in der Wasserstoffinfrastruktur sind Rohrleitungen, Druckbehälter und technische Anlagen häufig hohen mechanischen Belastungen sowie wasserstoffhaltigen Medien ausgesetzt. Dadurch steigt das Risiko wasserstoffinduzierter Schädigungen und eines vorzeitigen Materialversagens.
Chemische Industrie
In der chemischen Industrie spielt Wasserstoffversprödung insbesondere bei der Verarbeitung aggressiver Chemikalien sowie unter hohen thermischen Belastungen eine wichtige Rolle. Daher ist die Auswahl geeigneter Werkstoffe für Rohrleitungen, Reaktoren und Prozessanlagen von entscheidender Bedeutung. Eine kontrollierte Temperaturführung kann zusätzlich dazu beitragen, Wasserstoffaufnahme und kritische Spannungszustände im Material zu reduzieren.
Häufig gestellte Fragen zur Wasserstoffversprödung
Wasserstoffversprödung entsteht, wenn atomarer Wasserstoff in das Metallgitter eindringt und sich dort an Fehlstellen, Korngrenzen oder Bereichen mit hoher Spannung anreichert. Dadurch verliert der Werkstoff an Zähigkeit und wird anfälliger für Rissbildung und Sprödbruch.
Hochfeste Stähle besitzen eine Mikrostruktur, die Wasserstoff leichter an kritischen Stellen anreichern kann. Dadurch steigt die Gefahr von wasserstoffinduzierten Rissen und Sprödbrüchen deutlich an.
In einigen Werkstoffen kann eingelagerter Wasserstoff durch Wärmebehandlung oder langfristiges Entgasen teilweise entfernt werden. Ob sich die ursprünglichen Materialeigenschaften vollständig wiederherstellen lassen, hängt vom Werkstoff und dem Ausmaß der Schädigung ab.
Ja. Beim Schweißen kann Wasserstoff in den Werkstoff gelangen. In Verbindung mit Eigenspannungen können zeitverzögert wasserstoffinduzierte Risse entstehen. Deshalb sind geeignete Schweißverfahren und Nachbehandlungen besonders wichtig.
Kurz zusammengefasst: Wasserstoffversprödung
Wasserstoffversprödung stellt ein ernsthaftes Risiko für die Integrität von Bauteilen dar, insbesondere bei hochfesten Stählen und bestimmten Legierungen. Sie tritt häufig unsichtbar und zeitverzögert auf, was eine frühe Erkennung und Vermeidung erschwert. Durch präventive Maßnahmen können jedoch die Risiken signifikant gemindert werden.