Den Temperaturbereich von Stahl verstehen: Ein Leitfaden für die optimale Verwendung

Stahl, ein vielseitiges und in verschiedenen Branchen weit verbreitetes Material, weist in verschiedenen Temperaturbereichen unterschiedliche Eigenschaften und Verhaltensweisen auf. Das Verständnis dieser temperaturabhängigen Eigenschaften ist für Ingenieure, Hersteller und Konstrukteure von entscheidender Bedeutung, um die Leistung von Stahl in verschiedenen Anwendungen zu optimieren. Dieser umfassende Leitfaden untersucht die wichtigsten Temperaturbereiche, die sich auf die Stahleigenschaften auswirken, und gibt Einblicke, wie dieses Wissen für eine optimale Nutzung genutzt werden kann.

1. Raumtemperatur (20°C bis 100°C)

Bei Raumtemperatur weist Stahl seine standardmäßigen mechanischen Eigenschaften auf, wie sie in den Werkstoffdatenblättern angegeben sind. Dieser Bereich ist ideal für die meisten alltäglichen Anwendungen, bei denen die Festigkeit, Duktilität und Zähigkeit von Stahl gut ausgeglichen sind. Es ist jedoch wichtig zu wissen, dass selbst innerhalb dieses Bereichs leichte Temperaturschwankungen die Präzision bei hochpräzisen Anwendungen beeinträchtigen können.

Wichtige Überlegungen:

• Ideal für die meisten strukturellen und mechanischen Anwendungen
• Bietet eine Basislinie für den Vergleich von Eigenschaftsänderungen bei anderen Temperaturen
• Geeignet für Standard-Fertigungs- und Fügeverfahren

2. Niedriger Temperaturbereich (-50°C bis 20°C)

Wenn die Temperatur unter die Raumtemperatur sinkt, wird Stahl im Allgemeinen fester, aber weniger dehnbar. Dieses Phänomen, das als Tieftemperaturversprödung bekannt ist, kann die Leistung von Stahl in kalten Umgebungen erheblich beeinträchtigen.

Wichtige Überlegungen:

• Erhöhte Streck- und Zugfestigkeit
• Reduzierte Duktilität und Kerbschlagzähigkeit
• Höheres Risiko von Sprödbrüchen, insbesondere in stark beanspruchten Bereichen
• Auswahl geeigneter Stahlsorten (z. B. niedrigwarmfeste Stähle) für kryogene Anwendungen

Bewährte Praktiken:

• Führen Sie gründliche Materialtests bei den vorgesehenen Betriebstemperaturen durch.
• Einführung strengerer Sicherheitsfaktoren in den Konstruktionsberechnungen
• Erwägen Sie die Verwendung von nickellegierten Stählen zur Verbesserung der Tieftemperaturzähigkeit

3. Moderater Hitzebereich (100°C bis 450°C)

In diesem Bereich beginnen sich die mechanischen Eigenschaften des Stahls merklich zu verändern. Während die Festigkeit aufgrund der Reckalterung zunächst leicht ansteigt, kann eine längere Belastung zu Anlasseffekten und einer allmählichen Abnahme der Streckgrenze führen.

Wichtige Überlegungen:

• Möglichkeit der Blausprödigkeit (Anlassversprödung) bei 300°C
• Allmähliche Abnahme der Streckgrenze und des Elastizitätsmoduls
• Zunehmende Bedeutung der Kriechstromfestigkeit für Langzeitanwendungen

Bewährte Praktiken:

• Berücksichtigung der reduzierten Streckgrenze bei Konstruktionsberechnungen
• Erwägen Sie die Verwendung hitzebeständiger Stahlsorten bei längerer Exposition
• Implementierung geeigneter Wärmebehandlungsverfahren zur Optimierung der Eigenschaften

4. Hoher Temperaturbereich (450°C bis 900°C)

Bei diesen hohen Temperaturen erfährt der Stahl bedeutende mikrostrukturelle Veränderungen, die zu erheblichen Veränderungen seiner mechanischen Eigenschaften führen. Dieser Bereich ist kritisch für Wärmebehandlungsverfahren, kann sich aber unter Betriebsbedingungen nachteilig auf die Festigkeit des Stahls auswirken.

Wichtige Überlegungen:

• Dramatischer Rückgang der Streck- und Zugfestigkeit
• Erhöhte Duktilität und Umformbarkeit
• Beschleunigte Oxidation und Kesselsteinbildung
• Potenzial für Phasenumwandlungen (z. B. Austenitbildung)

Bewährte Praktiken:

• Verwendung hochtemperaturbeständiger Stahlsorten (z. B. rostfreie Stähle)
• Einsatz von Schutzbeschichtungen oder kontrollierten Atmosphären zur Minimierung der Oxidation
• Konstruktion für reduzierte Tragfähigkeit bei erhöhten Temperaturen
• Erhöhte Umformbarkeit für Warmumformungsprozesse nutzen

5. Extremer Hitzebereich (über 900°C)

Temperaturen von über 900 °C sind typisch für die Stahlerzeugung, die Wärmebehandlung und die Schweißverfahren. Bei diesen extremen Temperaturen wird Stahl hochgradig verformbar und erfährt erhebliche mikrostrukturelle Veränderungen.

Wichtige Überlegungen:

• Stahl wird austenitisch, hochduktil und leicht verformbar
• Es kann zu schnellem Kornwachstum kommen, was das Material schwächen kann.
• Risiko des beginnenden Schmelzens an Korngrenzen
• Maßgeblicher Bereich für Wärmebehandlungsverfahren (z. B. Austenitisieren, Normalisieren)

Bewährte Praktiken:

• Sorgfältige Steuerung von Zeit und Temperatur zur Erzielung der gewünschten Mikrostrukturen
• Anwendung von Schnellabkühlungstechniken, wenn dies zur Verfeinerung der Kornstruktur erforderlich ist
• Verwenden Sie beim Schweißen geeignete Flussmittel und Schutzmethoden, um Oxidation zu vermeiden.
• Berücksichtigen Sie die Auswirkungen der Temperaturwechsel auf die endgültigen Eigenschaften des Stahls.

Temperaturbereich für die Verwendung von Stahl

Anmerkung:

1. Die Nutzungsbeschränkungen für A3F Stahlplatte sind wie folgt:

(1) Sie darf nicht für druckbeaufschlagte Bauteile mit extrem gefährlichen, hochgefährlichen oder explosiven Medien verwendet werden;

(2) die Verwendung Temperatur ist 0 ~ 250℃;

(3) Auslegungsdruck ≤0,6MPa;

(4) Gefäßvolumen ≤10m3;

(5) für die wichtigsten druckbeaufschlagten Komponenten (Schale, geformter Kopf), Blechdicke ≤12mm; für Flansche, Flanschdeckel usw., Blechdicke ≤16mm.

2. Die Nutzungsbeschränkungen für A3 Stahlplatte sind wie folgt:

(1) Es darf nicht für druckbeaufschlagte Bauteile mit extrem gefährlichen, hochgefährlichen oder verflüssigten Gasen verwendet werden;

(2) Gefäßvolumen ≤10m3;

(3) für die wichtigsten druckbeaufschlagten Komponenten (Schale, geformter Kopf): Verwendungstemperatur 0~350℃; Auslegungsdruck ≤1.0MPa; Blechdicke ≤16mm;

(4) für Flansche, Flanschdeckel, Rohrböden und ähnliche druckbeaufschlagte Bauteile: Verwendungstemperatur >-20~350℃; Auslegungsdruck ≤4,0MPa; P×Di≤2000 (D ist der Nenndurchmesser in mm; P ist der Auslegungsdruck in MPa).

Wenn die Verwendungstemperatur -20℃) und die Blechdicke ≥30mm ist, darf die Kerbschlagzähigkeit des Stahlblechs bei Raumtemperatur (längs verlaufende, V-förmige Charpy-Proben, Durchschnittswert von drei Proben pro Gruppe) nicht weniger als 27J betragen.

3. Die Verwendung Einschränkungen für 16Mn Stahlplatte sind wie folgt:

(1) Stahlbleche ohne zusätzliche Prüfung oder Gewährleistung der Anforderungen an die Kerbschlagzähigkeit bei Raumtemperatur dürfen nicht für drucktragende Hauptbauteile von Druckbehältern verwendet werden;

(2) Bei der Verwendung für Flansche, Flanschdeckel, Rohrböden und ähnliche druckbeaufschlagte Bauteile gelten die gleichen Verwendungsbeschränkungen wie für Stahl A3;

(3) nach der Inspektion oder erneuten Inspektion, wenn die Raumtemperatur Kerbschlagzähigkeit gewährleistet ist (längs, V-förmige Charpy-Proben, Durchschnittswert von drei Proben pro Gruppe) nicht weniger als 27J, kann es als die wichtigsten druckbeaufschlagten Komponente des Druckbehälters verwendet werden, und die Verwendung Einschränkungen sind wie folgt: a. Design Temperatur 0~350℃; b. Design Druck ≤2.5MPa; c. Blechdicke ≤30mm.

4. Derzeit gibt es keine Stahlblech- oder Stahlrohrnorm für 16Mo und INCOLOY 800, und es gibt keine Stahlblechnorm für 12CrMo, 15CrMo, 12Cr2Mo1 und 1Cr5Mo. Die Konstruktion kann sich auf die entsprechenden ausländischen Stahlnormen beziehen.

5. Wenn die Langzeitgebrauchstemperatur von 16Mo 475℃ überschreitet, sollte der Einfluss der Graphitisierungstendenz berücksichtigt werden. Daher sollten druckbeaufschlagte Komponenten mit einer kumulativen Nutzungsdauer von mehr als 4 Jahren auf Graphitierung geprüft werden.

6. Die langfristige Verwendungstemperatur von austenitischem rostfreiem Stahl mit extrem niedrigem Kohlenstoffgehalt über 425℃ führt zur Ausscheidung von Karbidchrom an den Korngrenzen und damit zum Verlust der interkristallinen Korrosionsbeständigkeit.

7. Ferritischer rostfreier Stahl Stahlbleche (ausgenommen Verbundbleche) mit einem Nennchromgehalt von ≥13% dürfen nicht als Hauptdruckteile von Druckbehältern mit einem Auslegungsdruck ≥0,25MPa und einer Wandstärke >6mm verwendet werden.

8. Die in der Tabelle angegebene Mindesttemperatur ist der geltende untere Grenztemperaturwert dieser Norm (> -20℃).

9. Die "maximale Oxidationstemperatur" in der Tabelle gilt nur für nicht beanspruchte Bauteile mit geringer Beanspruchung.

Quelle: HGJ15-89 Design Code for Steel Chemical Vessel Materials Selection des Ministeriums für chemische Industrie der Volksrepublik China.

Rostfreier hitzebeständiger Stahl Einsatztemperatur