Spannungsrisskorrosion – wie entsteht sie und was hilft dagegen?

Die Spannungsrisskorrosion (SpRK) ist eine spezielle Form der Korrosion, die unter gleichzeitigem Einfluss einer statischen Zugspannung und eines Korrosionsmediums an empfindlichen Stählen auftreten kann. Sie zählt zu den kritischsten Korrosionsmechanismen, weil sie oft unbemerkt abläuft und zu einem spröden, abrupten Versagen des Stahls führt. Besonders anfällig ist hochfester Edelstahl, da die Zusammensetzung der Legierung durch Herstellungs-, Umform- oder Oberflächenprozesse sowie durch Umgebungschemie und mechanische Beanspruchung destabilisiert werden kann. Ein zentrales Thema ist die Spannungskorrosion unter anderem in der Oberflächentechnik, der Automobilindustrie und der Chemieindustrie.

Einflussfaktoren der Spannungsrisskorrosion

Die Hauptgründe für SpRK-bedingte Schäden liegen in ungünstigen Werkstoff-, Umwelt- und Belastungsbedingungen sowie in fehlerhaften oder unzureichend kontrollierten Fertigungs- und Betriebsprozessen. Äußere Einflüsse wie aggressive Medien, wechselnde Temperaturen oder mechanische Überlastungen können die Anfälligkeit ebenfalls erhöhen. Es gibt jedoch auch Fälle, in denen trotz umfassender Schadensanalyse auf Grundlage der DIN EN ISO 7539 keine eindeutige Ursache identifiziert werden kann. Grundsätzlich müssen für diese Form der Korrosion drei Voraussetzungen gleichzeitig erfüllt sein: eine Zugspannung durch Belastung von außen, Eigenspannung oder inneren Druck infolge einer Wasserstoffanreicherung, ein korrosives Medium wie chloridhaltige Lösungen, karbonatisiertes Porenwasser oder feuchte leicht saure Milieus sowie die Empfindlichkeit des Stahls gegenüber SpRK, etwa durch geringen Reinheitsgrad, hohe Versetzungsdichten oder erhöhte Wasserstoffaufnahmebereitschaft.

Prozessschritte wie Galvanik und Beizen können durch Wasserstoffeintrag die SpRK-Anfälligkeit erhöhen. Zusätzlich verändern diese Verfahren die Oberflächen- und Randzonenzustände, wodurch korrosive Medien leichter angreifen können. Zudem begünstigen spannungs- und schichtbedingte Effekte aus galvanischen Prozessen und Beizverfahren lokale Spannungsspitzen, die die Rissinitiierung unterstützen. Deshalb ist bei diesen Verfahren der Oberflächentechnik eine präzise Steuerung von Prozessparametern wie Zeit, Temperatur und Chemikalienkonzentration zwingend erforderlich.

Arten der Spannungsrisskorrosion

Die SpRK kann in zwei verschiedenen Formen auftreten, die auf unterschiedlichen physikalisch-chemischen Prozessen beruhen. Welche Art vorliegt, zeigt sich in einer detaillierten Schadensanalyse.

Anodische Spannungsrisskorrosion

Bei diesem SpRK-Typ ist die Korrosion in Form extremer örtlicher Metallauflösung der Hauptgrund für das Bauteilversagen. Initiiert wird er durch elektrolytische Auflösungsprozesse an der Werkstückoberfläche. Für gewöhnlich tritt diese Variante bei Stählen auf, deren Phasengrenzfläche zwischen Metall und korrosivem Medium von einer Passivschicht oder einer anderen schützenden Deckschicht bedeckt ist. Ausgangspunkt ist eine lokale Beschädigung dieser Schicht.

Die Rissbildung geschieht interkristallin durch Verminderung der Grenzflächenenergie und Herauslösen intergranularer Ausscheidungen durch Einwirkung oberflächenaktiver Medien wie Chloride, Sulfate oder Nitrate. Beim Auftreten von Zugspannungen oberhalb der Grenzspannung kann die Rissausbreitung auch transkristallin stattfinden.

Kathodische Spannungsrisskorrosion

Bei dieser auch als Wasserstoffversprödung bezeichneten Form ist das Bauteilversagen in erster Linie einer mechanischen Belastung geschuldet. Ein spezifisch wirkendes korrosives Medium ist nicht erforderlich. Hochfeste Stähle neigen deutlich stärker zur kathodischen Spannungsrisskorrosion als austenitischer Stahl, da dieser aufgrund seines kubisch-flächenzentrierten Gefüges nur geringe Mengen Wasserstoff aufnimmt.

Voraussetzung für die Wasserstoffversprödung ist das gleichzeitige Auftreten von Zugspannung und adsorbierbarem atomarem Wasserstoff in Verbindung mit einem für die wasserstoffinduzierte Spannungsrisskorrosion empfindlichen Stahl. Durch Spannungsarmglühen lassen sich solche Zugspannungen reduzieren.

Zeitlicher Ablauf der Spannungsrisskorrosion

Das Fortschreiten der Schädigung lässt sich in drei Phasen aufteilen: Rissbildung (Inkubationsphase), Rissausbreitung und Reißphase. In der Inkubationsphase bilden sich Anrisse im Werkstoff. Häufig geschieht das in Bereichen, in denen es eine Vorschädigung durch Korrosion gibt. Sind während der Herstellung, dem Transport, der Lagerung oder der Montage bereits Risse entstanden, entfällt diese Phase. Im weiteren Verlauf breiten sich die Anrisse im Werkstoff aus. Verkraftet die verbleibende Querschnittsfläche einwirkende Kräfte irgendwann nicht mehr, kommt es zum Sprödbruch.

Häufig verläuft die Korrosion in zwei aufeinanderfolgenden mikrostrukturellen Phasen, die sich sowohl hinsichtlich ihres Mechanismus als auch in ihrer Geschwindigkeit unterscheiden. In der frühen Schädigungsphase ist die Rissbildung meist interkristallin, weil die energetisch ungünstigen Korngrenzen zuerst geschwächt werden. Der Riss folgt dabei dem Korngrenzen-Netzwerk und wächst vergleichsweise langsam, wobei sich Wasserstoff bevorzugt an diesen Bereichen anreichert.

Ist hinlänglich Wasserstoff in das Korninnere gelangt oder wurde das Gefüge lokal geschwächt, kann der Riss durch die Körner hindurchschneiden (transkristallin). Diese Phase läuft meist schneller ab und ist daher kritischer für die Bauteilintegrität. Die Dauer der einzelnen Stadien fällt sehr unterschiedlich aus. Generell dauert die Rissausbreitungsphase länger als die Inkubationsphase. Die verzögerte Rissbildung kann dazu führen, dass zwischen der initialen Schädigung und dem endgültigen Bauteilversagen Tage, Monate oder sogar Jahre vergehen.

Die wichtigsten Vermeidungsstrategien gegen Spannungsrisskorrosion

Vermeidungsstrategien gegen SpRK zielen darauf ab, die auslösenden Hauptfaktoren zu eliminieren. Hierbei kommen verschiedene präventive Maßnahmen zum Tragen.

Werkstoffauswahl

Der erste Schritt zur Vermeidung spannungsbedingter Korrosion besteht darin, einen zur spezifischen Umgebung passenden Werkstoff einzusetzen. Eine geeignete Edelstahl-Legierung ist entscheidend, weil Gefüge, Festigkeit und chemische Zusammensetzung das Verhalten unter Belastung erheblich beeinflussen.

Um Kompatibilität und Belastbarkeit sicherzustellen, sind bei der Auswahl Betriebsbedingungen wie die Temperatur und die chemische Exposition zu berücksichtigen. Beispielsweise ist austenitischer Stahl beständiger gegen Chloride als anderer Edelstahl, zeigt aber unter ungünstigen Bedingungen dennoch eine verzögerte Rissbildung. Für eine fundierte Risikobewertung werden Prüfungen nach DIN EN ISO 7539 herangezogen, die die Anfälligkeit eines Werkstoffs unter realistischen Belastungs- und Medienbedingungen untersuchen.

Spannungsmanagement

Techniken wie Spannungsarmglühen oder Kugelstrahlen können eingesetzt werden, um die Eigenspannung zu reduzieren und eine verzögerte Rissbildung zu verhindern. Konstruktive Maßnahmen helfen zusätzlich, Betriebsspannungen zu minimieren, während eine gezielte Designoptimierung die Prävention unterstützt und die Belastungspfade im Bauteil reduziert. In der Automobilindustrie und der Chemieindustrie haben sich solche kombinierten Strategien bewährt, da sie sowohl die Betriebsbedingungen als auch die medienbedingten Einflüsse berücksichtigen.

Oberflächenbehandlung

Einen wirksamen Korrosionsschutz aufzubringen, ist eine proaktive Möglichkeit der Prävention. Je nach Werkstoff und Einsatzbedingungen stehen in der Oberflächentechnik verschiedene Verfahren zur Verfügung, etwa Beschichtungen mit Farben oder Epoxidharzen, chemische Passivierung oder mehrstufige Korrosionsschutz-Systeme, die mechanische und chemische Barrieren kombinieren. Wichtig ist, eine Oberflächenbehandlung auszuwählen, die sowohl zum Werkstoff als auch zum potenziellen Angriffsmedium kompatibel ist. Eine Übersicht über die zur Verfügung stehenden Schutzmechanismen bietet unser Artikel zum Einsatz von Korrosionsinhibitoren.

Umweltkontrolle

Die Kontrolle der Umgebungsbedingungen kann das Risiko für Spannungsrisskorrosion maßgeblich senken. Dabei gilt es, dafür zu sorgen, dass kein korrosives Medium in direkten Kontakt zum Bauteil kommt. In maritimen oder industriellen Umgebungen, die sich schwerer kontrollieren lassen, kann die Implementierung von Inhibitoren oder Barrieren sinnvoll sein, die den Zersetzungsprozess verlangsamen. Zudem ermöglicht die regelmäßige Überwachung von Umgebungsbedingungen wie Temperatur und weiteren Faktoren frühzeitige Anpassungen, um eine Rissbildung zu verhindern.

Zuverlässige Prophylaxe senkt Risiko für Spannungsrisskorrosion

Trotz Fortschritten in der Werkstofftechnik und im Korrosionsschutz bleibt die Spannungsrisskorrosion ein kritischer Faktor für die Bauteilsicherheit. Besonders in Branchen wie der Automobilindustrie und der Chemieindustrie zeigt sich, dass selbst eine weniger korrosionsanfällige Legierung wie austenitischer Stahl und eine adäquate Oberflächenbehandlung eine spannungsbedingte Korrosion nicht immer verhindern können. Deshalb kommt der Prävention eine zentrale Rolle zu, etwa durch Spannungsarmglühen oder Passivierung, durchdachte Prozessführung und die Auswahl medienbeständiger Werkstoffe. Ebenso essenziell ist eine systematische Schadensanalyse, die auf Normen wie der DIN EN ISO 7539 basiert und sowohl Werkstoffzustand als auch Betriebsbedingungen realistisch bewertet. Welche weiteren Korrosionsarten in der industriellen Praxis relevant sind und wie die Korrosionsbeständigkeit von Bauteilen systematisch verbessert werden kann, erfahren Sie in den weiterführenden Artikeln des Kluthe Magazins.

 

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Bilder ohne Quellenangabe wurden KI-generiert