Entendendo a faixa de temperatura do aço: Um guia para o uso ideal

O aço, um material versátil e amplamente utilizado em vários setores, apresenta diferentes propriedades e comportamentos em diferentes faixas de temperatura. Compreender essas características dependentes da temperatura é fundamental para que engenheiros, fabricantes e projetistas otimizem o desempenho do aço em diversas aplicações. Este guia abrangente explora as principais faixas de temperatura que afetam as propriedades do aço e fornece insights sobre como aproveitar esse conhecimento para o uso ideal.

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

À temperatura ambiente, o aço exibe suas propriedades mecânicas padrão, conforme especificado nas folhas de dados do material. Essa faixa é ideal para a maioria das aplicações cotidianas, em que a resistência, a ductilidade e a tenacidade do aço são bem equilibradas. Entretanto, é importante observar que, mesmo dentro dessa faixa, pequenas flutuações de temperatura podem afetar a precisão em aplicações de alta exatidão.

Principais considerações:

• Ideal para a maioria das aplicações estruturais e mecânicas
• Fornece uma linha de base para comparar as mudanças de propriedade em outras temperaturas
• Adequado para processos padrão de fabricação e união

2. Faixa de temperatura baixa (-50°C a 20°C)

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

Principais considerações:

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

Práticas recomendadas:

• Realizar testes completos de materiais nas temperaturas de serviço pretendidas
• Implementar fatores de segurança mais rigorosos nos cálculos de projeto
• Considere o uso de aços com liga de níquel para aumentar a resistência a baixas temperaturas

3. Faixa de calor moderada (100°C a 450°C)

Nessa faixa, o aço começa a sofrer alterações perceptíveis em suas propriedades mecânicas. Embora a resistência possa inicialmente aumentar um pouco devido ao envelhecimento por deformação, a exposição prolongada pode levar a efeitos de têmpera e a uma diminuição gradual da resistência ao escoamento.

Principais considerações:

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

Práticas recomendadas:

• Leve em conta a redução da resistência ao escoamento nos cálculos de projeto
• Considere o uso de tipos de aço resistentes ao calor para exposição prolongada
• Implementar processos de tratamento térmico adequados para otimizar as propriedades

4. Faixa de alta temperatura (450°C a 900°C)

Nessas temperaturas elevadas, o aço passa por mudanças microestruturais significativas, levando a alterações substanciais em suas propriedades mecânicas. Essa faixa é essencial para os processos de tratamento térmico, mas pode ser prejudicial à resistência do aço em condições de serviço.

Principais considerações:

• Diminuição drástica do rendimento e da resistência à tração
• Aumento da ductilidade e da conformabilidade
• Oxidação acelerada e incrustação
• Potencial para transformações de fase (por exemplo, formação de austenita)

Práticas recomendadas:

• Utilizar tipos de aço resistentes a altas temperaturas (por exemplo, aços inoxidáveis)
• Implementar revestimentos protetores ou atmosferas controladas para minimizar a oxidação
• Projeto para reduzir a capacidade de suporte de carga em temperaturas elevadas
• Aproveite o aumento da conformabilidade para processos de formação a quente

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

Temperaturas acima de 900°C são normalmente encontradas em processos de fabricação de aço, tratamento térmico e soldagem. Nessas temperaturas extremas, o aço se torna altamente maleável e passa por mudanças microestruturais significativas.

Principais considerações:

• O aço se torna austenítico, altamente dúctil e facilmente moldável
• Pode ocorrer um rápido crescimento de grãos, o que pode enfraquecer o material
• Risco de fusão incipiente nos limites dos grãos
• Faixa crucial para processos de tratamento térmico (por exemplo, austenitização, normalização)

Práticas recomendadas:

• Controle cuidadosamente o tempo e a temperatura para obter as microestruturas desejadas
• Implementar técnicas de resfriamento rápido quando necessário para refinar a estrutura do grão
• Use métodos adequados de fluxo e proteção na soldagem para evitar a oxidação
• Considere os efeitos da ciclagem térmica nas propriedades finais do aço

Faixa de temperatura de uso do aço

Observação:

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

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

(2) a temperatura de uso é de 0~250°C;

(3) pressão de projeto ≤0,6 MPa;

(4) volume do vaso ≤10m3;

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

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

(1) não deve ser usado para componentes pressurizados com meios extremamente perigosos, altamente perigosos ou com gás liquefeito de petróleo;

(2) volume do vaso ≤10m3;

(3) Para os principais componentes pressurizados (concha, cabeça formada): temperatura de uso 0~350°C; pressão de projeto ≤1,0 MPa; espessura da placa ≤16 mm;

(4) para flanges, tampas de flanges, 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 for -20 ℃) e a espessura da placa for ≥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 deverá ser inferior a 27J.

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

(1) placas de aço sem inspeção adicional ou garantia de requisitos de resistência ao impacto em temperatura ambiente não devem ser usadas para componentes pressurizados principais de vasos de pressão;

(2) quando usado para flanges, tampas de flanges, chapas de tubos e componentes pressurizados semelhantes, as restrições de uso são as mesmas do aço A3;

(3) após a inspeção ou reinspeção, se a resistência ao impacto à temperatura ambiente for garantida (espécimes Charpy longitudinais em forma de V, valor médio de três espécimes por grupo) não inferior a 27J, ela poderá 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°C; b. pressão de projeto ≤2,5 MPa; c. espessura da placa ≤30 mm.

4. Atualmente, não há padrão de placa de aço ou de tubo de aço para 16Mo e INCOLOY 800, e não há padrão de placa de aço para 12CrMo, 15CrMo, 12Cr2Mo1 e 1Cr5Mo. O projeto pode se referir aos padrões de aço estrangeiros correspondentes.

5. Quando a temperatura de uso a longo prazo do 16Mo exceder 475°C, 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 prolongado do aço inoxidável austenítico de carbono ultrabaixo superior a 425°C resultará na precipitação de carboneto de cromo nos limites dos grãos, levando à perda da resistência à corrosão intergranular.

7. Aço inoxidável ferrítico As placas de aço (excluindo placas compostas) com teor nominal de cromo ≥13% não devem ser usadas como componentes pressurizados principais de vasos de pressão com pressão de projeto ≥0,25MPa e espessura de parede >6mm.

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

9. A "temperatura máxima de oxidação" na tabela só se aplica a componentes não tensionados com baixa tensão.

Fonte: HGJ15-89 Design Code for Steel Chemical Vessel Materials Selection do Ministério da Indústria Química da República Popular da China.

Temperatura de uso do aço inoxidável resistente ao calor