Spannungsrisskorrosion

Spannungsrisskorrosion ist die transkristalline (durch das Gefügekorn) oder interkristalline (entlang der Korngrenzen des Gefüges) Rissbildung in Werkstoffen unter dem gleichzeitigen Einfluss einer rein statischen Zugspannung oder mit überlagerter niederfrequenter Zugschwellspannung und eines spezifischen Angriffsmittels. Auch Zugspannungen in Form von Eigenspannungen sind hier wirksam.

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Werkstoffe und Mechanismus

Bei der Spannungsrisskorrosion (SpRK) treten im allgemeinen keine sichtbaren Korrosionsprodukte auf. Die Trennung ist verformungsarm.

Gegen Spannungsrisskorrosion sind bestimmte Werkstoffgruppen empfindlich. Dazu gehören Kupfer-Zink-Legierungen (Messing), manche Aluminium-Knetlegierungen, rost- und säurebeständige Stähle (teilweise) und martensitaushärtbare Stähle. Auch hochfeste Stähle (z. B. für Spannbeton) können unter bestimmten Umständen anfällig gegen wasserstoffinduzierte Spannungsrisskorrosion sein, un- und niedriglegierte Stähle gegen Spannungsrisskorrosion durch Nitrate. Auch bei niedriglegierten Goldlegierungen (Feingehalt unter 585/-) mit Zinkanteilen oder Legierungen mit Nickelanteilen(hier auch bei Feingehalten über 585/-) treten Schäden bis zur völligen Auflösung des Gefüges auf. Des weiteren kann auch bei Kunststoffen Spannungsrisskorrosion auftreten. Voraussetzung hierfür ist das Vorhandensein von Zugspannungen und eine hohe Alkalität der Umgebung. Von Bedeutung ist dieses Problem z.B. in der Befestigungstechnik, wenn Kunststoffdübel (z.B. aus Polyethylen) in Betonuntergründen zum Einsatz kommen sollen.

Für das Auftreten von Spannungsrisskorrosion müssen drei Bedingungen erfüllt sein:

• der Werkstoff muss empfindlich gegen Spannungsrisskorrosion sein,
• Zugspannungen müssen vorliegen,
• ein spezifisches Angriffsmittel muss vorhanden sein.

Als spezifische Angriffsmittel wirken bei rost- und säurebeständigen austenitischen Stählen Chloride, bei Kupfer-Zink-Legierungen sowie bei Goldlegierungen mit Zinkanteil sind es Ammoniak, Amine, Ammoniumsalze, Schwefeldioxid, Stickoxide, Nitrit, Nitrat, Quecksilbersalze etc., bei Aluminium ebenfalls Chloride (Meerwasser).

Eine bedeutende Rolle haben SpRK-beständige Stähle unter anderem in der Erdöl-Erdgas Industrie. In der Vergangenheit und leider auch noch gegenwärtig gibt es immer noch viele Fehler bei der Wahl eines geeigneten Werkstoffes in H₂S hältigen Medien. Bei bereits sehr geringen Partialdrücken können Stähle in H₂S hältigen Medien versagen. Legierungen wie 13%Cr Stähle werden fälschlicherweise noch immer häufig verwendet. In vielen Fällen muss man jedoch zu Duplex, Super Duplex oder ähnlich teuren Werkstoffen greifen. H₂S ist in relativ vielen Gaslagerstätten zu finden, oder auch im Begleitgas in Erdöllagerstätten. Bereits 600 ppm H₂S können tödlich sein. In manchen Lagerstätten werden bis zu 20% (200.000ppm) H₂S gefördert. Im Schadensfall könnte es daher zu schwersten Unfällen kommen.

Diese Angriffsmittel wirken schon in sehr geringen Konzentrationen, teils im ppm-Bereich.

Die Rissinitiierungszeit und die Rissfortschrittsgeschwindigkeit hängen von der Höhe der Zugspannungen, der Konzentration des Angriffsmittels und dem Grad der Kaltverfestigung ab. Als Schwellwert wird bei Messing die sehr niedrige Zugspannung von 10 MPa angegeben [3].

Die Zeit bis zum vollständigen Durchreißen des Bauteils, also bis zum Versagen, kann zwischen Minuten und mehreren Jahren liegen [1]. Bei Goldschmuck mit 333er Feingehalt kann,im Extremfall, schon nach einmaligem Tragen ein Angriff der Legierung stattfinden.[6]

Durch Spannungsrisskorrosion hat es einige spektakuläre Unfälle gegeben:

• Die Kongresshalle („Schwangere Auster“) in Berlin ist am 21. Mai 1980 wegen Spannungsrisskorrosion der Spannbeton-Stahllitzen teilweise eingestürzt,
• am 9. Mai 1985 ist in Folge von Spannungsrisskorrosion durch chloridhaltige Feuchtigkeit die Betondecke des Hallenbades in Uster/CH abgestürzt, die an Ankern aus austenitischem Stahl aufgehängt war (Ereignis:[4,5] ; Werkstoff-Informationen auch in [2,4]).

Abhilfe

Um Spannungsrisskorrosion zu vermeiden, muss mindestens eine der drei Bedingungen vermieden werden. Man kann also entweder das Angriffsmittel fernhalten, die Zugspannungen vermeiden oder einen unempfindlichen Werkstoff wählen.

Das Fernhalten des Angriffsmittels ist oft nicht möglich. Bei Kupfer-Zink-Legierungen genügt oft schon die allgemeine Luftverschmutzung [1], ein Bauernhof in der Nähe (Ammoniak aus dem Misthaufen!) oder die Aufbewahrung eines ammoniakhaltigen Haushaltsreinigers in der Nähe des Bauteils. Auch im Fall "Hallenbad Uster" war die Chloridbelastung kaum zu vermeiden. Auch die Zugspannungen können oft nicht vermieden werden, wie die Aufhängung der Hallenbaddecke zeigt. In solchen Fällen bleibt nur die Wahl eines Werkstoffs, der gegen Spannungsrisskorrosion unempfindlich ist.

Siehe auch

• Korrosionselement

Literatur

• [1] J. Rückert: Spannungsrisskorrosion an Kupferlegierungen Materials and Corrosion 47 (1996) S. 71-77.
• [2] "Lexikon der Korrosion" - 2 Bände; Fa. Mannesmannröhren-Werke, 1970.
• [3] M. Weiergräber und A. Gräber: Spannungsrisskorrosion von Tiefziehnäpfen Werkstoff und Umformung, Vorträge des 1. Workshop Stuttgart, 9. Juni 1986, Band 90 der Berichte aus dem Institut für Umformtechnik der Universität Stuttgart, Hrsg.: Prof. Dr.-Ing. K. Lange, Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York Tokyo 1986.
• [4] M. Faller und P. Richner: Material selection of safety-relevant components in indoor swimming pools Materials and Corrosion 54 (2003) S. 331 - 338.
• [6] "Technisch-wissenschaftliche Grundlagen des Goldschmiedens Teil 2 Werkstoffkunde der Edelmetallverarbeitung"Seite 88-93;BVA,1999(ISBN 3-87073-270-9)

Normen

• DIN 50922, Ausgabe 1985-10: Korrosion der Metalle; Untersuchung der Beständigkeit von metallischen Werkstoffen gegen Spannungsrisskorrosion; Allgemeines
• DIN EN 14977, Ausgabe 2004-07: Kupfer und Kupferlegierungen - Auffinden von Zugspannungen - 5 % Ammoniakprüfung; Deutsche Fassung prEN 14977:2004
• DIN 50908, Ausgabe 1993-04: Prüfung der Beständigkeit von Aluminium-Knetwerkstoffen gegen Spannungsrisskorrosion
• DIN 50915, Ausgabe 1993-09: Prüfung von unlegierten und niedriglegierten Stählen auf Beständigkeit gegen interkristalline Spannungsrisskorrosion in nitrathaltigen Angriffsmitteln; Geschweißte und ungeschweißte Werkstoffe
• DIN 50916-1, Ausgabe 1976-08: Prüfung von Kupferlegierungen; Spannungsrisskorrosionsversuch mit Ammoniak, Prüfung von Rohren, Stangen und Profilen
• DIN 50916-2, Ausgabe 1985-09: Prüfung von Kupferlegierungen; Spannungsrisskorrosionsprüfung mit Ammoniak; Prüfung von Bauteilen
• DIN EN 14101, Ausgabe 2002-10: Luft- und Raumfahrt - Kriterien für die Werkstoffwahl zur Vermeidung von Spannungsrisskorrosion; Deutsche und Englische Fassung EN 14101:2001
• DIN EN ISO 196, Ausgabe 1995-08: Kupfer und Kupfer-Knetlegierungen - Auffinden von Restspannungen - Quecksilber(I)nitratversuch (ISO 196:1978); Deutsche Fassung EN ISO 196:1995
• DIN EN ISO 7539-1, Ausgabe 1995-08: Korrosion der Metalle und Legierungen - Prüfung der Spannungsrisskorrosion - Teil 1: Allgemeine Richtlinien für Prüfverfahren (ISO 7539-1:1987); Deutsche Fassung EN ISO 7539-1:1995
• DIN EN ISO 7539-2, Ausgabe 1995-08: Korrosion der Metalle und Legierungen - Prüfung der Spannungsrisskorrosion - Teil 2: Vorbereitung und Anwendung von Biegeproben (ISO 7539-2:1989); Deutsche Fassung EN ISO 7539-2:1995