Отпускная хрупкость стали: причины и как избежать

Отпускная хрупкость стали - это резкое падение ударной вязкости легированной стали после отпуска, когда деталь, прочная и пластичная при комнатной температуре, внезапно начинает разрушаться хрупко при небольшом понижении температуры. Коварство явления в том, что твёрдость и предел прочности при этом почти не меняются, поэтому дефект не виден по обычным механическим испытаниям и проявляется уже в эксплуатации. Ниже разберём, какие бывают виды отпускной хрупкости, почему так опасен медленный проход через интервал 375-575 °C, как примеси фосфора и олова сдвигают порог хладноломкости и какими приёмами этого охрупчивания избегают. Чтобы сразу почувствовать связь режима отпуска, состава и порога вязкости, покрути калькулятор ниже: он считает фактор охрупчивания и показывает, как кривая ударной вязкости Шарпи уезжает вправо.

Что такое отпускная хрупкость

Отпуск - это нагрев закалённой стали ниже точки превращения с последующим охлаждением; он снимает внутренние напряжения и переводит хрупкий мартенсит в более вязкие структуры. В норме после высокого отпуска сталь получается прочной и вязкой одновременно. Но у ряда легированных сталей при определённых режимах ударная вязкость не растёт, а наоборот резко падает - это и есть отпускная хрупкость. Главный её признак - не снижение твёрдости, а сдвиг порога хладноломкости (DBTT, температуры вязко-хрупкого перехода) в область более высоких температур. Деталь, которая раньше выдерживала удар при минусовой температуре, после охрупчивания ломается уже почти при комнатной.

Рассчитать для своей задачи

Два вида отпускной хрупкости

Различают два принципиально разных типа отпускной хрупкости, и путать их нельзя.

1. Необратимая хрупкость (тип I) развивается при отпуске в районе 250-400 °C, её ещё называют хрупкостью первого рода или, в узком смысле, отпускной хрупкостью мартенсита. Она связана с выделением тонких карбидных плёнок по границам мартенситных реек. Главная её особенность - необратимость: повторный нагрев в этот интервал её не убирает, а только усиливает. Поэтому опасный интервал 250-400 °C при отпуске ответственных деталей просто обходят стороной.
2. Обратимая хрупкость (тип II) развивается при медленном охлаждении или выдержке в интервале 375-575 °C. Именно её чаще всего называют собственно отпускной хрупкостью. Она вызвана зернограничной сегрегацией примесей и, в отличие от первой, обратима: если охрупченную сталь снова нагреть выше 600 °C и быстро охладить, вязкость восстанавливается.

Калькулятор выше моделирует именно обратимую хрупкость второго рода, потому что у неё есть наглядная кинетика: эффект зависит и от температуры, и от времени выдержки, и от состава.

Механизм: сегрегация примесей на границах зёрен

Главная причина обратимой отпускной хрупкости - диффузия вредных примесей к границам зёрен. При выдержке в опасном интервале атомы фосфора, олова, сурьмы и мышьяка медленно перемещаются из объёма зерна к его границам и накапливаются там в виде тонкого сегрегационного слоя. Этот слой ослабляет сцепление между зёрнами, и разрушение из вязкого внутризёренного превращается в хрупкое межзёренное, идущее прямо по ослабленным границам.

Рассчитать для своей задачи

Склонность стали к такому охрупчиванию удобно оценивать фактором Ватанабе, который связывает влияние легирующих и вредных элементов:

$J = (\text{Si} + \text{Mn}) \cdot (\text{P} + \text{Sn}) \cdot 10^4,$

где содержания даны в массовых процентах. Кремний и марганец усиливают сегрегацию фосфора, а сами фосфор и олово - главные охрупчивающие примеси. Чем больше $J$, тем сильнее сдвиг порога хладноломкости при прочих равных. В калькуляторе сдвиг порога считается как

$\Delta T = \frac{70\,J}{150} \cdot f(t) \cdot g(\tau),$

где $f(t)$ - температурный множитель C-кривой, а $g(\tau) = 1 - e^{-\tau/\tau_0}$ описывает насыщение со временем выдержки.

Почему опасен интервал 375-575 °C

Кинетика отпускной хрупкости имеет характерную C-образную форму. При слишком низкой температуре диффузия примесей идёт медленно, и сегрегация просто не успевает развиться. При слишком высокой температуре сегрегация термодинамически невыгодна - тепловое движение размывает накопившиеся на границе атомы обратно в объём. Максимум охрупчивания приходится на середину окна, около 500 °C, где скорость диффузии уже достаточна, а равновесная сегрегация ещё велика.

Рассчитать для своей задачи

Именно поэтому медленное охлаждение крупной поковки после высокого отпуска опаснее самого отпуска: деталь долго ползёт через весь опасный интервал, и сегрегация успевает развиться по всему сечению. Чтобы оценить, насколько ваш режим близок к пику опасности, задайте температуру и время выдержки в калькуляторе - синяя точка на C-кривой покажет текущий сдвиг порога, а график Шарпи - итоговое смещение кривой вязкости.

Как избежать отпускной хрупкости

Способы борьбы прямо вытекают из механизма. Для обратимой хрупкости второго рода ключевое - не дать примесям сегрегировать:

• Быстрое охлаждение через опасный интервал. После высокого отпуска деталь охлаждают в масле или воде, проскакивая 375-575 °C настолько быстро, что диффузия не успевает развиться. Для крупных сечений это главный приём.
• Легирование молибденом. Добавка 0,2-0,4 % Mo резко снижает склонность к обратимой хрупкости: молибден связывает фосфор и тормозит его сегрегацию к границам. Вольфрам действует похоже.
• Чистота по примесям. Снижение содержания фосфора, олова, сурьмы и мышьяка при выплавке уменьшает фактор $J$ и сам потенциал охрупчивания.
• Восстановительный нагрев. Уже охрупченную сталь второго рода можно исправить: нагреть выше 600 °C, чтобы рассеять сегрегацию, и быстро охладить.

Для необратимой хрупкости первого рода рецепт другой: интервал 250-400 °C при отпуске просто не используют для ответственных деталей, выбирая либо низкий, либо высокий отпуск в обход опасной зоны.

Частые ошибки

• Путаница типа I и типа II. Хрупкость первого рода (около 300 °C) необратима, второго рода (375-575 °C) обратима. Способы борьбы у них разные, и смешивать их в задаче нельзя.
• Оценка только по твёрдости. Отпускная хрупкость почти не меняет твёрдость и прочность. Судить о ней по твёрдомеру бессмысленно, нужен ударный изгиб (тест Шарпи) с определением порога хладноломкости.
• Игнорирование скорости охлаждения. Студенты часто думают, что охрупчивание вызывает сам отпуск. На деле для второго рода опаснее медленное охлаждение через опасный интервал, а не выдержка при высокой температуре.
• Подстановка процентов вместо долей или наоборот. В формуле фактора Ватанабе содержания берут в массовых процентах. Перепутав единицы, легко ошибиться в $J$ на порядки.
• Вера в полную обратимость хрупкости первого рода. Повторный нагрев в интервал 250-400 °C хрупкость первого рода не убирает, а усиливает.

FAQ

При какой температуре развивается отпускная хрупкость стали? Зависит от типа. Необратимая хрупкость первого рода развивается при отпуске около 250-400 °C, обратимая хрупкость второго рода - при выдержке или медленном охлаждении в интервале 375-575 °C с пиком около 500 °C.

Почему отпускная хрупкость второго рода обратима, а первого нет? Хрупкость второго рода вызвана зернограничной сегрегацией примесей: нагрев выше 600 °C рассеивает сегрегацию, и вязкость восстанавливается. Хрупкость первого рода связана с выделением карбидных плёнок, которые повторным нагревом в опасный интервал не растворяются.

Как молибден снижает отпускную хрупкость? Молибден связывает фосфор и тормозит его диффузию к границам зёрен, поэтому сегрегация ослабевает. Добавка 0,2-0,4 % Mo заметно снижает склонность легированной стали к обратимой отпускной хрупкости.

Коротко

Отпускная хрупкость стали - это падение ударной вязкости из-за сдвига порога хладноломкости вверх, при почти неизменной твёрдости. Различают необратимую хрупкость первого рода (около 300 °C, карбидные плёнки) и обратимую хрупкость второго рода (375-575 °C, зернограничная сегрегация фосфора и олова). Склонность к ней оценивают фактором Ватанабе $J = (\text{Si} + \text{Mn})(\text{P} + \text{Sn})\cdot 10^4$, а сдвиг порога зависит от температуры и времени выдержки по C-образной кинетике с пиком около 500 °C. Избегают охрупчивания быстрым охлаждением через опасный интервал, легированием молибденом и чистотой стали по примесям.