Отпускная хрупкость: ловушка 375–575 °C в Cr-Mo сталях

Явление

Отпускная хрупкость — это потеря ударной вязкости, которая развивается, когда некоторые легированные стали выдерживаются в диапазоне примерно 375–575 °C или медленно охлаждаются через него. Свойства стали при растяжении и твёрдость едва меняются — деталь может пройти каждое рутинное испытание и при этом оставаться хрупкой при комнатной температуре, при этом температура перехода из вязкого состояния в хрупкое резко смещается вверх. Она наиболее известна в хромистых и Cr-Mo сталях, включая семейства 2.25Cr-1Mo и Cr-Mo-V, используемые для сосудов под давлением, роторов и тяжёлых болтов.

Механизм: примеси на границах зёрен

Хрупкость вызывается не самими основными легирующими элементами. Следовые примеси — главным образом фосфор, олово, сурьма и мышьяк — сегрегируют к границам зёрен исходного аустенита, пока сталь находится в критическом диапазоне, ослабляя границы так, что разрушение проходит между зёрнами. Марганец и хром способствуют сегрегации; молибден в умеренных количествах замедляет её, что является одной из причин, почему Mo присутствует во многих марках для сосудов под давлением.

Из механизма следуют две особенности:

• Она обратима. Повторный нагрев выше диапазона (и охлаждение с разумной скоростью) вновь растворяет сегрегацию и восстанавливает вязкость — отсюда "обратимая отпускная хрупкость", в отличие от односторонней хрупкости отпущенного мартенсита при более низких температурах.
• Она зависит от времени. Короткие проходы через диапазон причиняют мало вреда; длительные выдержки, медленное охлаждение тяжёлых сечений в печи и годы эксплуатации внутри диапазона накапливают повреждение.

Как спецификации борются с ней

Поскольку причина заключается в химическом составе, защита вписана в требования к закупкам:

• Ограничения по примесям — производители стали контролируют P, Sn, Sb и As до низких уровней, а покупатели ответственных поковок указывают в заказе на закупку комбинированные параметры охрупчивания (широко используемые формулы J-factor и X-bar взвешивают эти элементы вместе).
• Практика отпуска — отпуск выше диапазона, где это возможно, и избегание медленного охлаждения через него в тяжёлых сечениях; циклы испытаний со ступенчатым охлаждением используются для квалификации материала для сосудов, которые будут работать в этом диапазоне.
• Приёмка по испытаниям на удар — требования к температуре перехода по Шарпи, иногда после смоделированного цикла охрупчивания, проверяют фактическую вязкость, а не предполагают её.

Практическое толкование

Если компонент из Cr-Mo провёл длительную эксплуатацию при 400–550 °C и должен быть оценён, одна лишь твёрдость ничего не говорит о его вязкости. И наоборот, новая поковка, которая соответствует жёстким ограничениям по примесям и отпущена правильно, не находится "в группе риска" просто потому, что температура её отпуска была выбрана вблизи диапазона — для явления нужны примеси, температура и время вместе.

Как её обнаруживают

Поскольку твёрдость и предел прочности при растяжении остаются нормальными, отпускная хрупкость обнаруживается с помощью испытаний на удар по Шарпи — а именно по сдвигу температуры перехода из вязкого состояния в хрупкое по сравнению с неохрупченным состоянием. Вязкость, измеренная при одной температуре, может вводить в заблуждение; доказательством является переходная кривая. Когда история компонента вызывает подозрения, испытывают образцы, вырезанные из детали или из припусков исходной поковки, иногда после деохрупчивающего повторного нагрева для подтверждения диагноза: если вязкость возвращается после повторного нагрева и быстрого охлаждения, причиной была отпускная хрупкость — а не необратимое повреждение, такое как ползучесть или водородное воздействие.