Spannungsrisskorrosion
Spannungsrisskorrosion ist die transkristalline oder interkristalline 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; zu diesen Werkstoffen 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.
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 sind es Ammoniak, Amine, Ammoniumsalze, Schwefeldioxid, Stickoxide, Nitrit, Nitrat, Quecksilbersalze etc., bei Aluminium ebenfalls Chloride (Meerwasser).
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].
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 [2].
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. Oft bleibt nur die Wahl eines Werkstoffs, der nicht gegen Spannungsrisskorrosion empfindlich ist.
Literatur
- [1] J. Rückert: Spannungsrisskorrosion an Kupferlegierungen Materials and Corrosion 47(1996) S. 71-77
- [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
Weblinks
- [2] http://www.biw.fh-deggendorf.de/alumni/2000/maier/korrosion/beispiel.htm
- http://www.polyreg.ch/bgeleitentscheide/Band_115_1989/BGE_115_IV_199.html
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