Comprendre la gamme de températures de l'acier : Un guide pour une utilisation optimale

L'acier, un matériau polyvalent et largement utilisé dans diverses industries, présente des propriétés et des comportements différents selon les plages de température. La compréhension de ces caractéristiques dépendantes de la température est cruciale pour les ingénieurs, les fabricants et les concepteurs afin d'optimiser les performances de l'acier dans diverses applications. Ce guide complet explore les principales plages de température qui affectent les propriétés de l'acier et fournit des indications sur la manière d'exploiter ces connaissances pour une utilisation optimale.

1. Température ambiante (20°C à 100°C)

À température ambiante, l'acier présente ses propriétés mécaniques standard, telles qu'elles sont spécifiées dans les fiches techniques des matériaux. Cette plage est idéale pour la plupart des applications quotidiennes, où la résistance, la ductilité et la ténacité de l'acier sont bien équilibrées. Toutefois, il est important de noter que, même dans cette plage, de légères fluctuations de température peuvent affecter la précision dans les applications de haute précision.

Principales considérations :

• Idéal pour la plupart des applications structurelles et mécaniques
• Fournit une base de référence pour comparer les changements de propriétés à d'autres températures.
• Convient aux processus de fabrication et d'assemblage standard

2. Plage de basses températures (-50°C à 20°C)

Lorsque la température descend en dessous de la température ambiante, l'acier devient généralement plus résistant mais moins ductile. Ce phénomène, connu sous le nom de fragilisation à basse température, peut avoir un impact significatif sur les performances de l'acier dans les environnements froids.

Principales considérations :

• Augmentation de la limite d'élasticité et de la résistance à la traction
• Réduction de la ductilité et de la résistance aux chocs
• Risque accru de fracture fragile, en particulier dans les zones soumises à de fortes contraintes
• Sélection des nuances d'acier appropriées (par exemple, aciers à basse température) pour les applications cryogéniques

Meilleures pratiques :

• Procéder à des essais approfondis des matériaux aux températures de service prévues
• Appliquer des facteurs de sécurité plus stricts dans les calculs de conception
• Envisager l'utilisation d'aciers alliés au nickel pour améliorer la ténacité à basse température

3. Plage de température modérée (100°C à 450°C)

Dans cette fourchette, l'acier commence à subir des modifications notables de ses propriétés mécaniques. Alors que la résistance peut initialement augmenter légèrement en raison du vieillissement par déformation, une exposition prolongée peut entraîner des effets de trempe et une diminution progressive de la limite d'élasticité.

Principales considérations :

• Risque de fragilisation bleue (fragilisation par trempe) autour de 300°C
• Diminution progressive de la limite d'élasticité et du module d'élasticité
• Importance accrue de la résistance au fluage pour les applications à long terme

Meilleures pratiques :

• Tenir compte de la réduction de la limite d'élasticité dans les calculs de conception
• Envisager d'utiliser des nuances d'acier résistant à la chaleur pour une exposition prolongée.
• Mettre en œuvre des procédés de traitement thermique appropriés pour optimiser les propriétés

4. Plage de températures élevées (450°C à 900°C)

À ces températures élevées, l'acier subit d'importants changements microstructuraux, ce qui entraîne des modifications substantielles de ses propriétés mécaniques. Cette plage est critique pour les processus de traitement thermique, mais peut être préjudiciable à la résistance de l'acier dans les conditions de service.

Principales considérations :

• Diminution spectaculaire de la limite d'élasticité et de la résistance à la traction
• Augmentation de la ductilité et de la formabilité
• Oxydation et entartrage accélérés
• Potentiel de transformation des phases (par exemple, formation d'austénite)

Meilleures pratiques :

• Utiliser des nuances d'acier résistant aux températures élevées (par exemple, des aciers inoxydables).
• Mettre en œuvre des revêtements protecteurs ou des atmosphères contrôlées pour minimiser l'oxydation.
• Conception pour une capacité de charge réduite à des températures élevées
• Exploiter la formabilité accrue pour les processus de formage à chaud

5. Plage de chaleur extrême (supérieure à 900°C)

Les températures supérieures à 900°C sont généralement rencontrées dans les processus de fabrication de l'acier, de traitement thermique et de soudage. À ces températures extrêmes, l'acier devient très malléable et subit d'importantes modifications microstructurelles.

Principales considérations :

• L'acier devient austénitique, hautement ductile et facilement façonnable.
• Une croissance rapide des grains peut se produire, ce qui risque d'affaiblir le matériau.
• Risque de fusion aux joints de grains
• Gamme cruciale pour les processus de traitement thermique (par exemple, austénitisation, normalisation)

Meilleures pratiques :

• Contrôle minutieux de la durée et de la température pour obtenir les microstructures souhaitées
• Mettre en œuvre des techniques de refroidissement rapide, si nécessaire, pour affiner la structure des grains.
• Utiliser les flux et les méthodes de protection appropriés lors du soudage pour éviter l'oxydation.
• Tenir compte des effets du cycle thermique sur les propriétés finales de l'acier.

Plage de température d'utilisation de l'acier

Remarque :

1. Les restrictions d'utilisation de l'A3F tôle d'acier sont les suivants :

(1) il ne doit pas être utilisé pour des composants sous pression contenant des fluides extrêmement dangereux, hautement dangereux ou explosifs ;

(2) La température d'utilisation est de 0~250℃ ;

(3) pression de conception ≤0,6MPa ;

(4) volume de la cuve ≤10m3 ;

(5) pour les principaux composants sous pression (coque, tête formée), épaisseur de la plaque ≤12mm ; pour les brides, les couvercles de brides, etc., épaisseur de la plaque ≤16mm.

2. Les restrictions d'utilisation de la tôle d'acier A3 sont les suivantes :

(1) il ne doit pas être utilisé pour des composants sous pression contenant des fluides extrêmement dangereux, hautement dangereux ou des gaz de pétrole liquéfiés ;

(2) volume de la cuve ≤10m3 ;

(3) pour les composants pressurisés principaux (coque, tête formée) : température d'utilisation 0~350℃ ; pression de conception ≤1,0MPa ; épaisseur de la plaque ≤16mm ;

(4) pour les brides, les couvercles de brides, les plaques tubulaires et les composants pressurisés similaires : température d'utilisation >-20~350℃ ; pression de calcul ≤4,0MPa ; P×Di≤2000 (D est le diamètre nominal en mm ; P est la pression de calcul en MPa).

Lorsque la température d'utilisation est -20℃) et que l'épaisseur de la plaque est ≥30mm, la résilience à température ambiante de la plaque d'acier (éprouvettes Charpy longitudinales en forme de V, valeur moyenne de trois éprouvettes par groupe) ne doit pas être inférieure à 27J.

3. Les restrictions d'utilisation de la tôle d'acier 16Mn sont les suivantes :

(1) les tôles d'acier sans contrôle supplémentaire ou sans garantie des exigences de résilience à température ambiante ne doivent pas être utilisées pour les principaux éléments sous pression des appareils à pression ;

(2) lorsqu'il est utilisé pour des brides, des couvercles de brides, des plaques tubulaires et des composants pressurisés similaires, les restrictions d'utilisation sont les mêmes que celles de l'acier A3 ;

(3) Après inspection ou réinspection, si la résistance aux chocs à température ambiante est garantie (éprouvettes Charpy longitudinales en forme de V, valeur moyenne de trois éprouvettes par groupe) non inférieure à 27J, elle peut être utilisée comme composant pressurisé principal d'un récipient sous pression, et les restrictions d'utilisation sont les suivantes : a. température de conception 0~350℃ ; b. pression de conception ≤2,5MPa ; c. épaisseur de la plaque ≤30mm.

4. Il n'existe actuellement aucune norme de plaque d'acier ou de tube d'acier pour le 16Mo et l'INCOLOY 800, et il n'existe aucune norme de plaque d'acier pour le 12CrMo, le 15CrMo, le 12Cr2Mo1 et le 1Cr5Mo. La conception peut se référer aux normes sidérurgiques étrangères correspondantes.

5. Lorsque la température d'utilisation à long terme du 16Mo dépasse 475℃, l'influence de la tendance à la graphitisation doit être prise en compte. Par conséquent, les composants sous pression dont le temps d'utilisation cumulé dépasse 4 ans doivent être vérifiés pour la graphitisation.

6. La température d'utilisation à long terme de l'acier inoxydable austénitique à très faible teneur en carbone dépassant 425℃ entraînera la précipitation du chrome carbure aux joints de grains, ce qui entraînera une perte de la résistance à la corrosion intergranulaire.

7. Acier inoxydable ferritique Les plaques d'acier (à l'exclusion des plaques composites) ayant une teneur nominale en chrome de ≥13% ne doivent pas être utilisées comme éléments principaux sous pression des récipients sous pression ayant une pression de calcul ≥0,25MPa et une épaisseur de paroi >6mm.

8. La température minimale indiquée dans le tableau est la valeur de la température limite inférieure applicable de cette norme (> -20℃).

9. La "température maximale d'oxydation" indiquée dans le tableau ne s'applique qu'aux composants non soumis à des contraintes faibles.

Source : HGJ15-89 HGJ15-89 Design Code for Steel Chemical Vessel Materials Selection of the Ministry of Chemical Industry of the People's Republic of China (code de conception pour la sélection des matériaux des réservoirs chimiques en acier du ministère de l'industrie chimique de la République populaire de Chine).

Acier inoxydable résistant à la chaleur Température d'utilisation