Compreender a gama de temperaturas do aço: Um guia para uma utilização óptima

O aço, um material versátil e amplamente utilizado em várias indústrias, apresenta diferentes propriedades e comportamentos em diferentes gamas de temperatura. Compreender estas caraterísticas dependentes da temperatura é crucial para os engenheiros, fabricantes e projectistas optimizarem o desempenho do aço em diversas aplicações. Este guia abrangente explora as principais gamas de temperatura que afectam as propriedades do aço e fornece informações sobre como tirar partido deste conhecimento para uma utilização optimizada.

1. Temperatura ambiente (20°C a 100°C)

À temperatura ambiente, o aço apresenta as suas propriedades mecânicas padrão, conforme especificado nas folhas de dados do material. Esta gama é ideal para a maioria das aplicações quotidianas, onde a resistência, a ductilidade e a tenacidade do aço estão bem equilibradas. No entanto, é importante notar que, mesmo dentro desta gama, ligeiras flutuações de temperatura podem afetar a precisão em aplicações de elevada precisão.

Principais considerações:

• Ideal para a maioria das aplicações estruturais e mecânicas
• Fornece uma base de referência para comparar alterações de propriedades a outras temperaturas
• Adequado para processos normais de fabrico e de união

2. Gama de temperaturas baixas (-50°C a 20°C)

À medida que as temperaturas descem abaixo da temperatura ambiente, o aço torna-se geralmente mais forte mas menos dúctil. Este fenómeno, conhecido como fragilização a baixa temperatura, pode afetar significativamente o desempenho do aço em ambientes frios.

Principais considerações:

• Aumento do rendimento e da resistência à tração
• Redução da ductilidade e da resistência ao impacto
• Maior risco de fratura frágil, especialmente em áreas de elevada tensão
• Seleção de tipos de aço adequados (por exemplo, aços de baixa temperatura) para aplicações criogénicas

Melhores práticas:

• Efetuar ensaios exaustivos dos materiais às temperaturas de serviço previstas
• Aplicar factores de segurança mais rigorosos nos cálculos de conceção
• Considerar a utilização de aços com liga de níquel para melhorar a resistência a baixas temperaturas

3. Gama de calor moderado (100°C a 450°C)

Nesta gama, o aço começa a registar alterações visíveis nas suas propriedades mecânicas. Embora a resistência possa inicialmente aumentar ligeiramente devido ao envelhecimento por deformação, a exposição prolongada pode levar a efeitos de têmpera e a uma diminuição gradual da tensão de cedência.

Principais considerações:

• Potencial de fragilidade azul (fragilização por têmpera) por volta dos 300°C
• Diminuição gradual do limite de elasticidade e do módulo de elasticidade
• Maior importância da resistência à fluência para aplicações a longo prazo

Melhores práticas:

• Ter em conta o limite de elasticidade reduzido nos cálculos de projeto
• Considerar a utilização de tipos de aço resistentes ao calor para exposição prolongada
• Implementar processos de tratamento térmico adequados para otimizar as propriedades

4. Gama de temperaturas elevadas (450°C a 900°C)

A estas temperaturas elevadas, o aço sofre alterações microestruturais significativas, levando a alterações substanciais nas suas propriedades mecânicas. Esta gama é crítica para os processos de tratamento térmico, mas pode ser prejudicial para a resistência do aço em condições de serviço.

Principais considerações:

• Diminuição drástica da resistência ao escoamento e à tração
• Aumento da ductilidade e da formabilidade
• Oxidação acelerada e incrustação
• Potencial para transformações de fase (por exemplo, formação de austenite)

Melhores práticas:

• Utilizar tipos de aço resistentes a altas temperaturas (por exemplo, aços inoxidáveis)
• Aplicar revestimentos protectores ou atmosferas controladas para minimizar a oxidação
• Projeto para uma capacidade de carga reduzida a temperaturas elevadas
• Aproveitar a maior formabilidade para processos de conformação a quente

5. Gama de calor extremo (acima de 900°C)

Temperaturas superiores a 900°C são normalmente encontradas nos processos de fabrico de aço, tratamento térmico e soldadura. A estas temperaturas extremas, o aço torna-se altamente maleável e sofre alterações microestruturais significativas.

Principais considerações:

• O aço torna-se austenítico, altamente dúctil e facilmente moldável
• Pode ocorrer um crescimento rápido do grão, enfraquecendo potencialmente o material
• Risco de fusão incipiente nos limites dos grãos
• Gama crucial para processos de tratamento térmico (por exemplo, austenitização, normalização)

Melhores práticas:

• Controlo cuidadoso do tempo e da temperatura para obter as microestruturas pretendidas
• Aplicar técnicas de arrefecimento rápido quando necessário para refinar a estrutura do grão
• Utilizar fluxos e métodos de proteção adequados na soldadura para evitar a oxidação
• Considerar os efeitos do ciclo térmico nas propriedades finais do aço

Gama de temperaturas de utilização do aço

Nota:

1. As restrições de utilização do A3F chapa de aço são os seguintes:

(1) não deve ser utilizado para componentes pressurizados com meios extremamente perigosos, altamente perigosos ou explosivos;

(2) a temperatura de utilização é de 0~250℃;

(3) pressão de projeto ≤0,6MPa;

(4) volume do recipiente ≤10m3;

(5) Para os principais componentes pressurizados (casco, cabeça formada), espessura da placa ≤12mm; para flanges, tampas de flanges, etc., espessura da placa ≤16mm.

2. As restrições de utilização da chapa de aço A3 são as seguintes:

(1) não deve ser utilizado para componentes pressurizados com meios extremamente perigosos, altamente perigosos ou gases de petróleo liquefeitos;

(2) volume do recipiente ≤10m3;

(3) para componentes pressurizados principais (concha, cabeça formada): temperatura de uso 0 ~ 350 ℃; pressão de projeto ≤1.0MPa; espessura da placa ≤16mm;

(4) para flanges, tampas de flange, chapas de tubos e componentes pressurizados semelhantes: temperatura de uso> -20 ~ 350 ℃; pressão de projeto ≤4.0MPa; P × Di≤2000 (D é o diâmetro nominal em mm; P é a pressão de projeto em MPa).

Quando a temperatura de uso é -20 ℃) e a espessura da placa é ≥30 mm, a resistência ao impacto da temperatura ambiente da placa de aço (espécimes Charpy longitudinais em forma de V, valor médio de três espécimes por grupo) não deve ser inferior a 27J.

3. As restrições de utilização da chapa de aço 16Mn são as seguintes:

(1) as chapas de aço sem inspeção adicional ou sem garantia dos requisitos de resistência ao impacto à temperatura ambiente não devem ser utilizadas nos componentes principais pressurizados dos recipientes sob pressão;

(2) quando utilizado para flanges, coberturas de flanges, chapas tubulares e componentes pressurizados semelhantes, as restrições de utilização são as mesmas que para o aço A3;

(3) após a inspeção ou reinspeção, se a tenacidade ao impacto da temperatura ambiente for garantida (espécimes Charpy longitudinais em forma de V, valor médio de três espécimes por grupo) não inferior a 27J, ela pode ser usada como o principal componente pressurizado do vaso de pressão, e as restrições de uso são as seguintes: a. temperatura de projeto 0 ~ 350 ℃; b. pressão de projeto ≤2.5MPa; c. espessura da placa ≤30mm.

4. Atualmente, não existe uma norma de chapa de aço ou de tubo de aço para 16Mo e INCOLOY 800, nem uma norma de chapa de aço para 12CrMo, 15CrMo, 12Cr2Mo1 e 1Cr5Mo. O projeto pode referir-se às normas de aço estrangeiras correspondentes.

5. Quando a temperatura de uso a longo prazo do 16Mo excede 475 ℃, a influência da tendência de grafitização deve ser considerada. Portanto, os componentes pressurizados com tempo de uso cumulativo superior a 4 anos devem ser verificados quanto à grafitização.

6. A temperatura de uso a longo prazo do aço inoxidável austenítico de carbono ultrabaixo superior a 425 ℃ resultará na precipitação de carboneto de cromo nos limites dos grãos, levando à perda de resistência à corrosão intergranular.

7. Aço inoxidável ferrítico as chapas de aço (excluindo as chapas compósitas) com um teor nominal de crómio ≥13% não devem ser utilizadas como componentes pressurizados principais de recipientes sob pressão com uma pressão de projeto ≥0,25MPa e uma espessura de parede >6mm.

8. A temperatura mínima indicada na tabela é o valor da temperatura limite inferior aplicável desta norma (> -20 ℃).

9. A "temperatura máxima de oxidação" indicada no quadro só é aplicável a componentes não sujeitos a tensão e com baixa tensão.

Fonte: HGJ15-89 Código de Conceção para a Seleção de Materiais para Recipientes Químicos de Aço do Ministério da Indústria Química da República Popular da China.

Temperatura de utilização do aço inoxidável resistente ao calor