Giòn Ram: Cái Bẫy 375–575 °C trong Thép Cr-Mo

Hiện tượng

Giòn ram là sự mất độ dai va đập phát triển khi một số thép hợp kim được giữ trong, hoặc làm nguội chậm qua, khoảng xấp xỉ 375–575 °C. Độ bền kéo và độ cứng của thép hầu như không thay đổi — một chi tiết có thể vượt qua mọi thử nghiệm thường quy và vẫn giòn ở nhiệt độ phòng, với nhiệt độ chuyển biến dẻo-giòn dịch chuyển mạnh lên trên. Nó được biết đến nhiều nhất ở thép crom và thép Cr-Mo, bao gồm các họ 2.25Cr-1Mo và Cr-Mo-V được dùng cho bình chịu áp lực, roto và bu lông nặng.

Cơ chế: tạp chất tại biên giới hạt

Sự giòn hóa không phải do chính các nguyên tố hợp kim chính gây ra. Các tạp chất vi lượng — chủ yếu là phốt pho, thiếc, antimon và asen — phân bố đến biên giới hạt austenit trước trong khi thép nằm trong khoảng tới hạn, làm yếu các biên giới để vết nứt chạy giữa các hạt. Mangan và crom thúc đẩy sự phân bố này; molypden với lượng vừa phải làm chậm nó, đó là một lý do Mo xuất hiện trong rất nhiều mác thép bình chịu áp lực.

Hai đặc điểm xuất phát từ cơ chế này:

• Nó có thể đảo ngược. Nung nóng lại trên khoảng này (và làm nguội với tốc độ hợp lý nhanh) hòa tan lại sự phân bố và phục hồi độ dai — do đó có tên "giòn ram có thể đảo ngược", phân biệt với sự giòn hóa một chiều của martensit đã ram ở nhiệt độ thấp hơn.
• Nó phụ thuộc vào thời gian. Đi qua khoảng này trong thời gian ngắn ít gây hại; giữ lâu, làm nguội chậm trong lò các tiết diện nặng, và nhiều năm phục vụ bên trong khoảng này tích lũy hư hỏng.

Cách các đặc tả chống lại nó

Vì nguyên nhân là thành phần hóa học, biện pháp phòng vệ được viết vào các yêu cầu mua hàng:

• Giới hạn tạp chất — các nhà luyện kiểm soát P, Sn, Sb và As ở mức thấp, và người mua các vật rèn quan trọng chỉ định các thông số giòn hóa kết hợp (các công thức J-factor và X-bar được sử dụng rộng rãi cân nhắc các nguyên tố này cùng nhau) trong đơn đặt hàng.
• Thực hành ram — ram trên khoảng này khi có thể và tránh làm nguội chậm qua nó trong các tiết diện nặng; các chu trình thử nghiệm làm nguội theo bậc được dùng để chứng nhận vật liệu cho các bình sẽ sống trong khoảng này.
• Nghiệm thu bằng thử nghiệm va đập — các yêu cầu về nhiệt độ chuyển biến Charpy, đôi khi sau một chu trình giòn hóa mô phỏng, xác minh độ dai thực tế thay vì giả định nó.

Cách đọc thực tế

Nếu một cấu kiện Cr-Mo đã phục vụ lâu dài ở 400–550 °C và phải được đánh giá, độ cứng đơn thuần không nói lên điều gì về độ dai của nó. Ngược lại, một vật rèn mới đáp ứng các giới hạn tạp chất chặt chẽ và được ram đúng cách không "có rủi ro" chỉ vì nhiệt độ ram của nó được chọn gần khoảng này — hiện tượng cần tạp chất, nhiệt độ và thời gian cùng nhau.

Cách phát hiện nó

Vì độ cứng và độ bền kéo vẫn bình thường, giòn ram được phát hiện bằng thử nghiệm va đập Charpy — cụ thể là bằng sự dịch chuyển của nhiệt độ chuyển biến dẻo-giòn so với trạng thái chưa bị giòn hóa. Độ dai đo ở một nhiệt độ duy nhất có thể gây hiểu lầm; đường cong chuyển biến mới là bằng chứng. Khi lịch sử của một cấu kiện bị nghi ngờ, các mẫu được khoan lấy từ chi tiết hoặc phần kéo dài của vật rèn gốc được thử nghiệm, đôi khi sau một lần nung nóng khử giòn để xác nhận chẩn đoán: nếu độ dai trở lại sau khi nung nóng lại và làm nguội nhanh, giòn ram — thay vì hư hỏng vĩnh viễn như creep hoặc tấn công hydro — là nguyên nhân.