Wasserstoffversprödung ist ein Materialschädigungsmechanismus, bei dem Wasserstoff in Werkstoffe eindringt und deren mechanische Eigenschaften verschlechtert. Dabei variieren die schädigenden Einflüsse je nach verwendetem Material stark.
Das Phänomen gilt als zentrale Herausforderung beim Aufbau von Wasserstoffinfrastrukturen und betrifft besonders die Rohr- und Anlagentechnik. Die schädigende Wirkung wurde bereits 1863 von Henri Étienne Sainte-Claire Deville und Louis Joseph Troost wissenschaftlich dokumentiert.
Mechanismus und Auswirkungen
Als kleinstes Atom des Universums kann sich Wasserstoff in die Zwischengitterplätze der Kristallstruktur von Metallen bewegen. Nach der Adsorption atomaren Wasserstoffs an der Oberfläche diffundiert dieser zu Bereichen hoher Zugspannung wie Kerben oder Materialfehlern. Besonders kritisch ist dies bei Drücken von 700 bar, wie sie in Wasserstofftanks von Brennstoffzellenautos auftreten.
Die Versprödung kann sowohl durch Wasserstoff aus der Gasphase als auch aus wässrigen Medien erfolgen. Zwischen erster Wasserstoffaufnahme und endgültigem Materialversagen liegen dabei oft Monate oder Jahre liegen.
Eine mikroskopische Ansicht der Wasserstoffversprödung von Inconel. Bild aus Iannuzzi, Mariano & Barnoush, Afrooz & Johnsen, Roy. (2017): Materials and Corrosion Trends In Offshore and Subsea Oil and Gas Production (© General Electric)
Werkstoffspezifische Anfälligkeit
Nicht alle Materialien sind gleich stark von Wasserstoffversprödung betroffen. Bei Stählen hängt die Gefährdung stark von ihrer inneren Struktur ab. Besonders problematisch sind hochfeste Stahlsorten, wie sie etwa für schwere Maschinenbauteile verwendet werden. Auch bestimmte Gefügearten im Stahl – Fachleute sprechen von „ferritischen“ und „martensitischen“ Strukturen – nehmen Wasserstoff leicht auf und werden dadurch schnell spröde.
Deutlich widerstandsfähiger sind sogenannte austenitische Stähle, die den Wasserstoff viel langsamer aufnehmen. Auch die Zugabe verschiedener Metalle beim Legieren beeinflusst die Anfälligkeit: Nickel macht den Stahl beispielsweise resistenter gegen Wasserstoff, während Zusätze wie Chrom, Molybdän oder Titan die Versprödungsgefahr erhöhen.
Wasserstoffeinfluss auf nicht-metallische Werkstoffe
Bei Kunststoffen tritt keine klassische Versprödung auf, jedoch kann sich Wasserstoff in die Hohlräume zwischen den Molekülketten einlagern. Bei schneller Dekompression können diese Gasblasen zum Aufplatzen des Materials führen. Aluminium- und Magnesiumlegierungen zeigen bei trockenem, gasförmigem Wasserstoff keine Versprödungsneigung, können aber unter anderen Bedingungen eine reversible Wasserstoffschädigung erleiden. Die Eigenschaften lassen sich dann durch langes Entgasen wiederherstellen.
Einflussfaktoren und Reaktionsbedingungen
Forschung und Prävention
Die Erforschung des Phänomens gewinnt durch den geplanten Ausbau der Wasserstoffinfrastruktur an Bedeutung. Während Wasserstoffversprödung bisher hauptsächlich an Schweißnähten oder durch Korrosion in kleinem Maßstab auftrat, werden die künftigen Wasserstoff-Pipelines deutlich größeren Mengen ausgesetzt sein.
An der Universität des Saarlandes wurde beispielsweise an standardisierten industriellen Prüfverfahren geforscht. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf verschiedenen „Beladungsmethoden“: Wasserstoff kann entweder elektrochemisch oder durch Druckbeladung (200 bar, 200-300°C) ins Material eingebracht werden. Zur Schadensanalyse kommen Verfahren wie hochauflösende Computertomographie zum Einsatz, die Strukturen im Nanometer-Bereich erfassen kann. Diese zerstörungsfreie Prüfung ermöglicht die Live-Beobachtung von Rissentstehung und -wachstum.
Zur Vermeidung existieren verschiedene Präventionsmaßnahmen. Zentral ist die Wärmebehandlung, insbesondere das Spannungsarmglühen bei 200-230 °C. Nach galvanischen Prozessen muss diese Behandlung innerhalb von vier Stunden erfolgen. Die Überwachung wasserstoffführender Systeme erfolgt durch regelmäßige Werkstoffprüfungen nach ISO, bei denen Bauteile über 48 Stunden definierten Zugspannungen ausgesetzt werden.
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