Brintskørhed i stål – hvad er det?

Brintskørhed er særlig kritisk ved anvendelse af højstyrke stål, og test af fx bolte før installation kan give en god indikation af, om boltene indeholder hydrogen fra fremstillingsprocessen.

Af Karina Birkmose Lauridsen og Henrik Bang, FORCE Technology

Hydrogenrevner og brintskørhed

Hydrogenrevner og brintskørhed er begge begreber, som medfører revner i stålmaterialer. Næsten alle, der har kendskab til svejsning, har på et eller andet tidspunkt stiftet bekendtskab med fænomenet hydrogenrevner.

Fænomenet brintskørhed er mindre kendt, men skadesmekanismen er den samme.  Hydrogen og brint er det samme grundstof, som under uheldige forhold kan forårsage revner i stålmaterialer. Det er primært stål med høj styrke og materialer med lokal forøget hårdhed, der er de mest følsomme overfor hydrogenrevner og brintskørhed.

Hydrogen er et grundstof, der kan optræde i stål på lige fod med mange andre legeringselementer. Ligheden stopper dog der, da hydrogen oftest er et uønsket element.

Akkumuleret hydrogen reducerer styrken

Hydrogenatomer er så små, at de har mulighed for at diffundere igennem stål og under visse forhold, kan hydrogen blive fanget/akkumuleret inde i selve stålmaterialet. Afhængig af ståltypen, kan den hydrogen, der bliver inde i stålet, være yderst skadelig for stålmaterialets mekaniske egenskaber.

Akkumulering af hydrogen vil ske langs korngrænserne i materialet og efter noget tid, vil der dannes hulrum pga. det interne tryk, der opstår. Når trykket bliver tilstrækkeligt højt, vil stålmaterialets sejhed og styrke være reduceret i en sådan grad, at der kan opstå et brud. Stålet er blevet mere sprødt, og derfor kaldes det brintskørhed.

Den bedst kendte kilde til hydrogen i forbindelse med svejsning, er fugt og utilstrækkeligt rengjorte grundmaterialer. Opløsningsgraden af hydrogen er relativ stor i smeltet svejsemetal, men i det øjeblik svejsemetallet størkner, falder opløseligheden, og hydrogen vil akkumulere i svejsemetallet eller diffundere ind i grundmaterialet.

Generelt er hydrogenrevner – forårsaget af svejsning – ikke et problem i industrien i dag, pga. kendskab til problematikken.

Anvendelse af højstyrke stål kan øge risikoen

Den generelle tendens er, at der i stigende grad anvendes højstyrkestål for at spare vægt og materialer. Følsomheden overfor hydrogeninduceret revnedannelse er en kombination af et korrosivt miljø og en vis styrke – og dermed hårdhed – af materialerne. Hvis man skal lave en konstruktion af højstyrkestål, eller hvor dele af højstyrkestål indgår, er det yderst vigtigt at undersøge, om der er risiko for hydrogeninduceret revnedannelse.

Ligeledes kan det være nødvendigt at udføre en kontrol af de materialer, der skal anvendes, for at sikre, at den specificerede hårdhed ikke er overskredet. En svejsning vil også typisk give en zone med højere hårdhed, så her er det også vigtigt at have fokus på at kontrollere/reducere hårdheden fra processen.

Hydrogen fra fremstillingsprocesser – delayed fracture

Hydrogen kan også introduceres i et stålmateriale under selve fremstillingsprocessen. Enten fra stålfremstillingen af råmaterialet, eller fra overfladebehandling af en færdig komponent, som f.eks. varmgalvanisering. En typisk kilde til brint kan være afsyringsprocesser, som ofte anvendes til rengøring af stålemner før overfladebehandling.

Der sker ikke umiddelbart noget ved, at der er akkumuleret hydrogen i et emne, når det ikke er belastet. Det bliver først et problem i det øjeblik, hvor fx en bolt bliver udsat for trækspændinger. Dette vil medføre diffusion af hydrogenatomer, som vil placere sig i de områder, hvor materialet er hårdest eller fremstår med deformeret mikrostruktur – typisk omkring bolthovedet eller gevind.

Efter en vis tid, og hvis mængden af hydrogen i materialet kombineret med spændingerne når et kritisk niveau, vil der kunne opstå brud. Dette sker typisk indenfor de første 72 timer efter bolten er påført trækspændinger. Denne brudtype er også kendt som ”delayed fracture”.

Du kan læse den fulde artikel hos FORCE Technology her

 

Foto: FORCE Technology