Ontlaatbrosheid: de val van 375–575 °C in Cr-Mo-staalsoorten

Het verschijnsel

Ontlaatbrosheid is een verlies van kerftaaiheid dat ontstaat wanneer bepaalde gelegeerde staalsoorten worden gehouden in, of langzaam worden afgekoeld door, ongeveer het bereik van 375–575 °C. De trekeigenschappen en hardheid van het staal veranderen nauwelijks — een onderdeel kan elke routinetest doorstaan en toch bros zijn bij kamertemperatuur, met de ductiel-bros-overgangstemperatuur scherp naar boven verschoven. Het is het bekendst bij chroom- en Cr-Mo-staalsoorten, waaronder de families 2.25Cr-1Mo en Cr-Mo-V die worden gebruikt voor drukvaten, rotoren en zware bouten.

Het mechanisme: onzuiverheden op korrelgrenzen

De verbrossing wordt niet veroorzaakt door de belangrijkste legeringselementen zelf. Sporenonzuiverheden — vooral fosfor, tin, antimoon en arseen — segregeren naar voormalige austenietkorrelgrenzen terwijl het staal in het kritische bereik verblijft, waardoor de grenzen verzwakken zodat breuk tussen de korrels doorloopt. Mangaan en chroom bevorderen de segregatie; molybdeen in matige hoeveelheden vertraagt deze, wat een reden is waarom Mo in zoveel drukvatkwaliteiten voorkomt.

Uit het mechanisme volgen twee kenmerken:

• Het is omkeerbaar. Opnieuw verhitten boven het bereik (en redelijk snel afkoelen) lost de segregatie weer op en herstelt de taaiheid — vandaar "omkeerbare ontlaatbrosheid", te onderscheiden van de eenrichtingsverbrossing van getemperd martensiet bij lagere temperaturen.
• Het is tijdsafhankelijk. Korte passages door het bereik doen weinig kwaad; lange houdtijden, langzame afkoeling in de oven van zware doorsneden en jarenlange dienst binnen het bereik stapelen schade op.

Hoe specificaties ertegen vechten

Omdat de oorzaak chemie is, is de verdediging in inkoopeisen vastgelegd:

• Onzuiverheidslimieten — raffinadeurs beheersen P, Sn, Sb en As tot lage niveaus, en kopers van kritische smeedstukken specificeren gecombineerde verbrossingsparameters (de veelgebruikte J-factor- en X-bar-formules wegen deze elementen samen) in de bestelling.
• Ontlaatpraktijk — ontlaat waar mogelijk boven het bereik en vermijd langzame afkoeling erdoorheen in zware doorsneden; stap-afkoelingsproefcycli worden gebruikt om materiaal te kwalificeren voor vaten die in het bereik zullen leven.
• Acceptatie via kerfslagproeven — eisen aan de Charpy-overgangstemperatuur, soms na een gesimuleerde verbrossingscyclus, verifiëren de werkelijke taaiheid in plaats van deze aan te nemen.

Praktische lezing

Als een Cr-Mo-component lange dienst heeft gedaan bij 400–550 °C en moet worden beoordeeld, zegt hardheid alleen niets over zijn taaiheid. Omgekeerd is een nieuw smeedstuk dat aan strikte onzuiverheidslimieten voldoet en correct is ontlaten niet "in gevaar" alleen omdat zijn ontlaattemperatuur nabij het bereik is gekozen — het verschijnsel heeft de onzuiverheden, de temperatuur en de tijd samen nodig.

Hoe het wordt gedetecteerd

Omdat hardheid en treksterkte normaal blijven, wordt ontlaatbrosheid gevonden via Charpy-kerfslagproeven — specifiek via de verschuiving in de ductiel-bros-overgangstemperatuur vergeleken met de niet-verbrosde toestand. Taaiheid gemeten bij één temperatuur kan misleiden; de overgangscurve is het bewijs. Waar de geschiedenis van een component verdacht is, worden monsters getest die uit het onderdeel zijn geboord of verlengstukken van het oorspronkelijke smeedstuk, soms na een ontbrossende herverhitting om de diagnose te bevestigen: als de taaiheid terugkeert na de herverhitting en snelle afkoeling, was ontlaatbrosheid — in plaats van permanente schade zoals kruip of waterstofaantasting — de oorzaak.