Kruchość odpuszczania: pułapka 375–575 °C w stalach Cr-Mo

Zjawisko

Kruchość odpuszczania to utrata udarności, która rozwija się, gdy niektóre stale stopowe są trzymane w zakresie około 375–575 °C lub powoli przez niego chłodzone. Właściwości wytrzymałościowe stali i jej twardość ledwie się zmieniają — część może przejść każdy rutynowy test, a mimo to być krucha w temperaturze pokojowej, przy temperaturze przejścia w stan kruchy przesuniętej gwałtownie w górę. Jest najlepiej znana w stalach chromowych i Cr-Mo, w tym w rodzinach 2.25Cr-1Mo oraz Cr-Mo-V stosowanych do zbiorników ciśnieniowych, wirników i ciężkich śrub.

Mechanizm: zanieczyszczenia na granicach ziaren

Kruchość nie jest powodowana przez same główne pierwiastki stopowe. Śladowe zanieczyszczenia — głównie fosfor, cyna, antymon i arsen — segregują na granicach wcześniejszych ziaren austenitu, podczas gdy stal przebywa w zakresie krytycznym, osłabiając granice, tak że pękanie biegnie pomiędzy ziarnami. Mangan i chrom sprzyjają segregacji; molibden w umiarkowanych ilościach ją opóźnia, co jest jednym z powodów, dla których Mo występuje w tak wielu gatunkach na zbiorniki ciśnieniowe.

Z mechanizmu wynikają dwie cechy:

• Jest odwracalna. Ponowne nagrzanie powyżej zakresu (i chłodzenie w miarę szybko) ponownie rozpuszcza segregację i przywraca ciągliwość — stąd „odwracalna kruchość odpuszczania”, odrębna od jednokierunkowej kruchości odpuszczonego martenzytu w niższych temperaturach.
• Jest zależna od czasu. Krótkie przejścia przez zakres powodują niewielkie szkody; długie trzymania, powolne chłodzenie w piecu grubych przekrojów oraz lata eksploatacji wewnątrz zakresu kumulują uszkodzenie.

Jak specyfikacje z nią walczą

Ponieważ przyczyną jest skład chemiczny, obrona jest wpisana w wymagania zakupowe:

• Limity zanieczyszczeń — rafinerie kontrolują P, Sn, Sb i As do niskich poziomów, a nabywcy odkuwek krytycznych określają w zamówieniu połączone parametry kruchości (szeroko stosowane formuły współczynnika J oraz X-bar ważą te pierwiastki razem).
• Praktyka odpuszczania — odpuszczanie powyżej zakresu tam, gdzie to możliwe, oraz unikanie powolnego chłodzenia przez niego w grubych przekrojach; cykle testowe chłodzenia krokowego są stosowane do kwalifikowania materiału na zbiorniki, które będą żyć w tym zakresie.
• Odbiór przez próby udarności — wymagania dotyczące temperatury przejścia Charpy'ego, czasem po symulowanym cyklu kruchości, weryfikują rzeczywistą ciągliwość, zamiast ją zakładać.

Odczyt praktyczny

Jeśli element Cr-Mo spędził długą eksploatację w temperaturze 400–550 °C i musi zostać oceniony, sama twardość nic nie mówi o jego ciągliwości. Odwrotnie, nowa odkuwka, która spełnia wąskie limity zanieczyszczeń i jest prawidłowo odpuszczona, nie jest „zagrożona” tylko dlatego, że jej temperatura odpuszczania została wybrana blisko zakresu — zjawisko potrzebuje razem zanieczyszczeń, temperatury i czasu.

Jak jest wykrywana

Ponieważ twardość i wytrzymałość na rozciąganie pozostają normalne, kruchość odpuszczania jest wykrywana przez próby udarności Charpy'ego — konkretnie przez przesunięcie temperatury przejścia w stan kruchy w porównaniu ze stanem bez kruchości. Ciągliwość mierzona w jednej temperaturze może wprowadzać w błąd; krzywa przejścia jest dowodem. Tam, gdzie historia elementu jest podejrzana, bada się próbki wytrepanowane z części lub przedłużenia pierwotnej odkuwki, czasem po nagrzaniu odwracającym kruchość w celu potwierdzenia diagnozy: jeśli ciągliwość powraca po nagrzaniu i szybkim chłodzeniu, przyczyną była kruchość odpuszczania — a nie trwałe uszkodzenie, takie jak pełzanie lub atak wodorowy.