Понимание температурного диапазона стали: Руководство по оптимальному использованию

Сталь, универсальный и широко используемый в различных отраслях промышленности материал, проявляет различные свойства и поведение в разных температурных диапазонах. Понимание этих характеристик, зависящих от температуры, крайне важно для инженеров, производителей и дизайнеров, чтобы оптимизировать работу стали в различных областях применения. В этом подробном руководстве рассматриваются основные температурные диапазоны, влияющие на свойства стали, и дается представление о том, как использовать эти знания для оптимального применения.

1. Комнатная температура (от 20°C до 100°C)

При комнатной температуре сталь демонстрирует стандартные механические свойства, указанные в паспортах материалов. Этот диапазон идеально подходит для большинства повседневных применений, где прочность, пластичность и вязкость стали хорошо сбалансированы. Однако важно отметить, что даже в этом диапазоне незначительные колебания температуры могут повлиять на точность высокоточных изделий.

Ключевые соображения:

• Идеально подходит для большинства структурных и механических применений
• Обеспечивает базовый уровень для сравнения изменений свойств при других температурах
• Подходит для стандартных процессов изготовления и соединения

2. Диапазон низких температур (от -50°C до 20°C)

При снижении температуры ниже комнатной сталь обычно становится более прочной, но менее пластичной. Это явление, известное как низкотемпературное охрупчивание, может существенно повлиять на характеристики стали в холодной среде.

Ключевые соображения:

• Повышенная текучесть и прочность на разрыв
• Снижение пластичности и ударной вязкости
• Повышенный риск хрупкого разрушения, особенно в зонах повышенных нагрузок
• Выбор подходящих марок стали (например, низкотемпературных сталей) для криогенных применений

Лучшие практики:

• Проведите тщательные испытания материалов при предполагаемых температурах эксплуатации
• Внедрение более строгих коэффициентов безопасности в проектные расчеты
• Рассмотрите возможность использования сталей, легированных никелем, для повышения низкотемпературной вязкости

3. Умеренный диапазон нагрева (от 100°C до 450°C)

В этом диапазоне сталь начинает испытывать заметные изменения в своих механических свойствах. Хотя вначале прочность может немного увеличиться из-за деформационного старения, длительное воздействие может привести к эффекту отпуска и постепенному снижению предела текучести.

Ключевые соображения:

• Потенциал синей хрупкости (охрупчивание при отпуске) при температуре около 300°C
• Постепенное снижение предела текучести и модуля упругости
• Повышенная важность сопротивления ползучести для долгосрочного применения

Лучшие практики:

• Учет снижения предела текучести в проектных расчетах
• При длительном воздействии следует использовать жаропрочные марки стали
• Внедрение соответствующих процессов термообработки для оптимизации свойств

4. Диапазон высоких температур (от 450°C до 900°C)

При таких повышенных температурах сталь претерпевает значительные микроструктурные изменения, что приводит к существенному изменению ее механических свойств. Этот диапазон является критическим для процессов термообработки, но может негативно сказаться на прочности стали в условиях эксплуатации.

Ключевые соображения:

• Резкое снижение предела текучести и прочности на разрыв
• Повышенная пластичность и формуемость
• Ускоренное окисление и образование накипи
• Потенциал фазовых превращений (например, образование аустенита)

Лучшие практики:

• Используйте высокотемпературные марки стали (например, нержавеющие стали).
• Применяйте защитные покрытия или контролируемую атмосферу для минимизации окисления
• Конструкция для снижения несущей способности при повышенных температурах
• Повышенная формуемость для процессов горячей формовки

5. Диапазон экстремальных температур (выше 900°C)

Температуры выше 900°C обычно встречаются в процессах выплавки, термообработки и сварки стали. При таких экстремальных температурах сталь становится высокоплавкой и претерпевает значительные микроструктурные изменения.

Ключевые соображения:

• Сталь становится аустенитной, высокопластичной и легко формуемой
• Может произойти быстрый рост зерен, что может привести к ослаблению материала
• Риск зарождения плавления на границах зерен
• Решающий диапазон для процессов термообработки (например, аустенизации, нормализации)

Лучшие практики:

• Тщательно контролируйте время и температуру для получения желаемых микроструктур
• Применяйте методы быстрого охлаждения, когда это необходимо для уточнения структуры зерна
• Используйте соответствующие флюсы и методы защиты при сварке для предотвращения окисления
• Рассмотрите влияние термоциклирования на конечные свойства стали

Диапазон температур использования стали

Примечание:

1. Ограничения на использование A3F стальная пластина следующие:

(1) он не должен использоваться для компонентов, находящихся под давлением, с чрезвычайно опасными, высокоопасными или взрывоопасными средами;

(2) температура использования составляет 0~250℃;

(3) расчетное давление ≤0,6 МПа;

(4) объем сосуда ≤10м3;

(5) для основных компонентов, находящихся под давлением (оболочка, сформированная головка), толщина листа ≤12 мм; для фланцев, крышек фланцев и т.д. толщина листа ≤16 мм.

2. Ограничения по использованию стального листа A3 следующие:

(1) он не должен использоваться для компонентов под давлением с чрезвычайно опасными, высокоопасными или сжиженными нефтяными газами;

(2) объем сосуда ≤10 м3;

(3) для основных компонентов, находящихся под давлением (оболочка, сформированная головка): температура использования 0~350℃; расчетное давление ≤1.0MPa; толщина листа ≤16мм;

(4) для фланцев, фланцевых крышек, трубных листов и подобных компонентов, находящихся под давлением: температура использования >-20~350℃; расчетное давление ≤4.0MPa; P×Di≤2000 (D - номинальный диаметр в мм; P - расчетное давление в MPa).

При температуре использования -20℃) и толщине листа ≥30мм, ударная вязкость стального листа при комнатной температуре (продольные V-образные образцы по Шарпи, среднее значение трех образцов в группе) должна быть не менее 27J.

3. Ограничения по использованию стального листа 16Mn следующие:

(1) стальные листы без дополнительной проверки или подтверждения требований к ударной вязкости при комнатной температуре не должны использоваться для основных компонентов сосудов, работающих под давлением;

(2) при использовании для фланцев, фланцевых крышек, трубных листов и подобных компонентов, находящихся под давлением, ограничения по использованию такие же, как и для стали A3;

(3) после проверки или повторной проверки, если ударная вязкость при комнатной температуре гарантирована (продольные, V-образные образцы Шарпи, среднее значение трех образцов в группе) не менее 27J, она может быть использована в качестве основного компонента сосуда под давлением, а ограничения по использованию следующие: a. расчетная температура 0~350℃; b. расчетное давление ≤2.5MPa; c. толщина листа ≤30мм.

4. В настоящее время не существует стандарта на стальной лист или стальную трубу для 16Mo и INCOLOY 800, и нет стандарта на стальной лист для 12CrMo, 15CrMo, 12Cr2Mo1 и 1Cr5Mo. При проектировании можно обратиться к соответствующим зарубежным стандартам на сталь.

5. Когда температура длительного использования 16Mo превышает 475℃, следует учитывать влияние тенденции к графитизации. Поэтому компоненты под давлением с суммарным временем использования более 4 лет должны быть проверены на графитизацию.

6. Температура длительного использования аустенитной нержавеющей стали с ультранизким содержанием углерода, превышающая 425℃, приведет к выпадению карбида хрома на границах зерен, что приведет к потере устойчивости к межкристаллитной коррозии.

7. Ферритная нержавеющая сталь стальные листы (за исключением композитных листов) с номинальным содержанием хрома ≥13% не должны использоваться в качестве основных элементов сосудов под давлением с расчетным давлением ≥0,25 МПа и толщиной стенки >6 мм.

8. Минимальная температура, указанная в таблице, является применимым значением нижней границы температуры по настоящему стандарту (> -20℃).

9. Указанная в таблице "максимальная температура окисления" применима только к ненапряженным компонентам с низким напряжением.

Источник: HGJ15-89 Проектный кодекс по выбору материалов для стальных химических сосудов Министерства химической промышленности Китайской Народной Республики.

Температура использования нержавеющей жаропрочной стали