Крихкість відпуску: пастка 375–575 °C у сталях Cr-Mo

Явище

Крихкість відпуску — це втрата ударної в’язкості, яка розвивається, коли певні леговані сталі витримують у діапазоні приблизно 375–575 °C або повільно охолоджують через нього. Межа міцності на розтяг і твердість сталі ледь змінюються — деталь може пройти кожне рутинне випробування й усе ще бути крихкою за кімнатної температури, з температурою переходу від пластичного до крихкого руйнування, різко зміщеною вгору. Вона найвідоміша у хромових і сталях Cr-Mo, включно з родинами 2.25Cr-1Mo та Cr-Mo-V, що використовуються для посудин під тиском, роторів і важких болтів.

Механізм: домішки на межах зерен

Крихкість спричиняють не самі основні легувальні елементи. Слідові домішки — головним чином фосфор, олово, сурма та миш’як — сегрегують до меж колишніх аустенітних зерен, поки сталь перебуває в критичному діапазоні, послаблюючи межі так, що руйнування йде між зернами. Марганець і хром сприяють сегрегації; молібден у помірних кількостях її уповільнює, що є однією з причин, чому Mo з’являється у такій кількості марок для посудин під тиском.

З механізму випливають дві особливості:

• Вона оборотна. Повторне нагрівання вище діапазону (та охолодження з розумною швидкістю) повторно розчиняє сегрегацію та відновлює в’язкість — звідси «оборотна крихкість відпуску», відмінна від односторонньої крихкості відпущеного мартенситу за нижчих температур.
• Вона залежить від часу. Короткі проходи через діапазон завдають мало шкоди; тривалі витримки, повільне охолодження важких перерізів із піччю та роки експлуатації всередині діапазону накопичують пошкодження.

Як специфікації борються з нею

Оскільки причина — хімічний склад, захист вписано у вимоги закупівлі:

• Межі домішок — виробники контролюють P, Sn, Sb і As до низьких рівнів, а покупці відповідальних поковок вказують комбіновані параметри крихкості (широко використовувані формули J-фактора та X-bar зважують ці елементи разом) у замовленні на закупівлю.
• Практика відпуску — відпускайте вище діапазону, де це можливо, та уникайте повільного охолодження через нього у важких перерізах; цикли випробувань ступінчастим охолодженням використовують для кваліфікації матеріалу для посудин, які житимуть у цьому діапазоні.
• Приймання за ударними випробуваннями — вимоги до температури переходу за Шарпі, іноді після імітованого циклу окрихчування, перевіряють фактичну в’язкість, а не припускають її.

Практичне прочитання

Якщо компонент Cr-Mo провів тривалу експлуатацію за 400–550 °C і має бути оцінений, сама лише твердість нічого не говорить про його в’язкість. І навпаки, нова поковка, що відповідає жорстким межам домішок і правильно відпущена, не перебуває «під ризиком» лише тому, що її температуру відпуску було обрано близько до діапазону, — явищу потрібні разом домішки, температура та час.

Як її виявляють

Оскільки твердість і межа міцності на розтяг залишаються нормальними, крихкість відпуску виявляють за допомогою ударних випробувань за Шарпі — зокрема за зміщенням температури переходу від пластичного до крихкого руйнування порівняно зі станом без окрихчування. В’язкість, виміряна за однієї температури, може вводити в оману; крива переходу є доказом. Там, де історія компонента викликає підозру, випробовують зразки, вирізані з деталі або продовження початкової поковки, іноді після повторного нагрівання для зняття крихкості, щоб підтвердити діагноз: якщо в’язкість повертається після повторного нагрівання та швидкого охолодження, причиною була крихкість відпуску, а не постійне пошкодження, таке як повзучість або водневе ураження.