Facteurs temps de fonctionnement limités
Les applications typiques qui nécessitent que les matériaux duplex soient exposés à des conditions de température élevée sont les récipients sous pression, les pales/roues de ventilateur ou les épurateurs de gaz d'échappement.Les exigences relatives aux propriétés des matériaux peuvent aller d'une résistance mécanique élevée à la résistance à la corrosion. La composition chimique des qualités discutées dans cet article est répertoriée dans le tableau 1.
Décomposition spinodale
La décomposition spinodale (également appelée démixtion ou historiquement fragilisation à 475 °C) est un type de séparation de phase dans la phase ferritique, qui se produit à des températures d'environ 475 °C.L’effet le plus prononcé est une modification de la microstructure, provoquant la formation de la phase α´, qui entraîne une fragilisation du matériau.Cela limite à son tour les performances du produit final.
La figure 1 montre le diagramme de transition température-temps (TTT) pour les matériaux duplex étudiés, avec une décomposition spinodale représentée dans la région de 475 ° C.Il convient de noter que ce diagramme TTT représente une diminution de ténacité de 50 % mesurée par des essais de ténacité aux chocs sur des éprouvettes Charpy-V, ce qui est généralement accepté comme indiquant une fragilisation.Dans certaines applications, une diminution plus importante de la ténacité peut être acceptable, ce qui modifie la forme du diagramme TTT.Par conséquent, la décision de fixer un OT maximum particulier dépend de ce qui est considéré comme un niveau acceptable de fragilisation, c'est-à-dire une réduction de la ténacité du produit final.Il convient de mentionner qu’historiquement, les graphiques TTT étaient également produits en utilisant un seuil défini, tel que 27J.
Nuances alliées supérieures
La figure 1 montre que l'augmentation des éléments d'alliage du grade LDX 2101 vers le grade SDX 2507 entraîne un taux de décomposition plus rapide, alors que le duplex maigre montre un début de décomposition retardé.L'impact des éléments d'alliage tels que le chrome (Cr) et le nickel (Ni) sur la décomposition spinodale et la fragilisation a été démontré par des études antérieures.5–8 Cet effet est illustré plus en détail dans la figure 2. Elle montre que la décomposition spinodale augmente lorsque la température est augmentée de 300 à 350 °C et est plus rapide pour la nuance plus alliée SDX 2507 que pour la nuance moins alliée DX 2205.
Cette compréhension peut être cruciale pour aider les clients à décider de l'OT maximum adapté à la qualité et à l'application sélectionnées.
Détermination de la température maximale
Comme mentionné précédemment, l'OT maximum pour le matériau duplex peut être défini en fonction de la baisse acceptable de la résistance aux chocs.Typiquement, on adopte l'OT correspondant à une valeur de réduction de ténacité de 50%.
OT dépend de la température et de l'heure
La pente des queues des courbes du diagramme TTT de la figure 1 démontre que la décomposition spinodale ne se produit pas uniquement à un seuil de température et ne s'arrête pas en dessous de ce niveau.Il s'agit plutôt d'un processus constant lorsque les matériaux duplex sont exposés à des températures de fonctionnement inférieures à 475 °C.Il est cependant également clair qu’en raison des taux de diffusion plus faibles, des températures plus basses signifient que la décomposition commencera plus tard et se déroulera beaucoup plus lentement.Par conséquent, l’utilisation de matériaux duplex à des températures plus basses pourrait ne pas poser de problèmes avant des années, voire des décennies.Pourtant, il existe actuellement une tendance à fixer une OT maximale sans tenir compte du temps d'exposition.La question clé est donc de savoir quelle combinaison température-durée doit être utilisée pour décider si l’utilisation d’un matériau est sûre ou non ?Herzman et al.10 résument bien ce dilemme : « …L'utilisation sera alors limitée à des températures où la cinétique de démixtion est si faible qu'elle ne se produira pas pendant la durée de vie technique prévue du produit… ».
L'impact du soudage
La plupart des applications utilisent le soudage pour assembler les composants.Il est bien connu que la microstructure de la soudure et sa chimie diffèrent du matériau de base 3 .En fonction du matériau d'apport, de la technique de soudage et des paramètres de soudage, la microstructure des soudures est généralement différente de celle du matériau en vrac.La microstructure est normalement plus grossière, et cela inclut également la zone affectée thermiquement à haute température (HTHAZ), qui a un impact sur la décomposition spinodale dans les soudures.La variation de la microstructure entre les constructions en vrac et les constructions soudées est un sujet examiné ici.
Résumer les facteurs limitants
Les sections précédentes conduisent aux conclusions suivantes :
- Tous les matériaux duplex sont soumis
à la décomposition spinodale à des températures autour de 475 °C. - En fonction de la teneur en alliage, un taux de décomposition plus rapide ou plus lent est attendu.Une teneur plus élevée en Cr et Ni favorise une démixtion plus rapide.
- Pour régler la température de fonctionnement maximale :
– Une combinaison de durée de fonctionnement et de température doit être prise en compte.
– Un niveau acceptable de diminution de la ténacité, c'est-à-dire qu'un niveau souhaité de ténacité finale doit être défini - Lorsque des composants microstructuraux supplémentaires, tels que des soudures, sont introduits, l'OT maximum est déterminé par la partie la plus faible.
Normes mondiales
Plusieurs normes européennes et américaines ont été revues pour ce projet.Ils se sont concentrés sur les applications dans les récipients sous pression et les composants de tuyauterie.En général, l’écart concernant l’OT maximum recommandé entre les normes examinées peut être divisé selon les points de vue européen et américain.
Les normes européennes de spécification des matériaux pour les aciers inoxydables (par exemple EN 10028-7, EN 10217-7) impliquent une OT maximale de 250 °C car les propriétés du matériau ne sont fournies que jusqu'à cette température.De plus, les normes européennes de conception pour les récipients sous pression et les tuyauteries (EN 13445 et EN 13480, respectivement) ne donnent aucune information supplémentaire sur l'OT maximum par rapport à ce qui est indiqué dans leurs normes de matériaux.
En revanche, la spécification américaine des matériaux (par exemple ASME SA-240 de l'ASME section II-A) ne présente aucune donnée sur les températures élevées.Ces données sont plutôt fournies dans la section ASME II-D, « Propriétés », qui prend en charge les codes de construction généraux pour les récipients sous pression, les sections ASME VIII-1 et VIII-2 (ces dernières offrent une voie de conception plus avancée).Dans ASME II-D, l'OT maximum est explicitement indiqué à 316 °C pour la plupart des alliages duplex.
Pour les applications de tuyauterie sous pression, les règles de conception et les propriétés des matériaux sont données dans l'ASME B31.3.Dans ce code, les données mécaniques sont fournies pour les alliages duplex jusqu'à 316 °C sans indication claire de l'OT maximum.Néanmoins, vous pouvez interpréter les informations pour être conformes à ce qui est écrit dans ASME II-D, et ainsi, l'OT maximum pour les normes américaines est dans la plupart des cas de 316 °C.
En plus des informations OT maximales, les normes américaines et européennes impliquent qu'il existe un risque de fragilisation à des températures élevées (> 250 °C) avec des temps d'exposition plus longs, ce qui doit alors être pris en compte à la fois dans la phase de conception et dans la phase de service.
Pour les soudures, la plupart des normes ne font aucune déclaration ferme sur l’impact de la décomposition spinodale.Cependant, certaines normes (par exemple ASME VIII-1, Tableau UHA 32-4) indiquent la possibilité d'effectuer des traitements thermiques post-soudage spécifiques.Celles-ci ne sont ni obligatoires ni interdites, mais lors de leur réalisation, elles doivent être réalisées selon des paramètres prédéfinis dans la norme.
Ce que dit l'industrie
Les informations produites par plusieurs autres fabricants d'acier inoxydable duplex ont été examinées pour voir ce qu'ils communiquent concernant les plages de température de leurs nuances.2205 est limité à 315 °C par ATI, mais Acerinox fixe l'OT pour le même grade à seulement 250 °C.Il s'agit des limites OT supérieure et inférieure pour le grade 2205, tandis qu'entre elles, d'autres OT sont communiquées par Aperam (300 °C), Sandvik (280 °C) et ArcelorMittal (280 °C).Cela démontre l’étendue des OT maximum suggérés pour une seule qualité qui possèdera des propriétés très comparables d’un fabricant à l’autre.
Le raisonnement expliquant pourquoi un fabricant a fixé un certain OT n’est pas toujours révélé.Dans la plupart des cas, cela repose sur une norme particulière.Différentes normes communiquent différents OT, d'où la dispersion des valeurs.La conclusion logique est que les entreprises américaines fixent une valeur plus élevée en raison des déclarations de la norme ASME, tandis que les entreprises européennes fixent une valeur plus faible en raison de la norme EN.
De quoi les clients ont-ils besoin ?
En fonction de l'application finale, diverses charges et expositions des matériaux sont attendues.Dans ce projet, la fragilisation due à la décomposition spinodale était la plus intéressante car elle est très applicable aux récipients sous pression.
Cependant, il existe diverses applications qui exposent les qualités duplex à des charges mécaniques moyennes uniquement, comme les épurateurs11–15.Une autre demande concernait les pales de ventilateur et les turbines, qui sont exposées à des charges de fatigue.La littérature montre que la décomposition spinodale se comporte différemment lorsqu’une charge de fatigue est appliquée15.A ce stade, il apparaît clairement que l'OT maximum de ces applications ne peut pas être fixé de la même manière que pour les appareils sous pression.
Une autre catégorie de demandes concerne uniquement les applications liées à la corrosion, telles que les épurateurs de gaz d'échappement marins.Dans ces cas, la résistance à la corrosion est plus importante que la limitation OT sous charge mécanique.Cependant, ces deux facteurs ont un impact sur le fonctionnement du produit final, ce qui doit être pris en compte lors de l'indication de l'OT maximum.Là encore, ce cas diffère des deux cas précédents.
Dans l'ensemble, lorsque l'on conseille à un client l'OT maximum approprié pour sa qualité duplex, le type d'application est d'une importance vitale dans la définition de la valeur.Cela démontre encore la complexité de définir un seul OT pour une qualité, car l'environnement dans lequel le matériau est déployé a un impact significatif sur le processus de fragilisation.
Quelle est la température de fonctionnement maximale pour le duplex ?
Comme mentionné, la température maximale de fonctionnement est fixée par la très faible cinétique de décomposition spinodale.Mais comment mesurer cette température et que signifie exactement la « faible cinétique » ?La réponse à la première question est simple.Nous avons déjà indiqué que les mesures de ténacité sont couramment effectuées pour estimer la vitesse et la progression de la décomposition.Ceci est défini dans les normes suivies par la plupart des fabricants.
La deuxième question, sur ce qu’on entend par faible cinétique et la valeur à laquelle nous fixons une limite de température, est plus complexe.Cela est dû en partie au fait que les conditions limites de température maximale sont compilées à partir à la fois de la température maximale (T) elle-même et de la durée de fonctionnement (t) pendant laquelle cette température est maintenue.Pour valider cette combinaison Tt, différentes interprétations de la ténacité « la plus faible » peuvent être utilisées :
• La limite inférieure, définie historiquement et pouvant être appliquée aux soudures, est de 27 joules (J).
• Dans les normes, la plupart du temps, 40 J sont fixés comme limite.
• Une diminution de 50 % de la ténacité initiale est également fréquemment appliquée pour définir la limite inférieure.
Cela signifie qu’une déclaration sur l’OT maximum doit être basée sur au moins trois hypothèses convenues :
• Exposition température-temps du produit final
• La valeur minimale acceptable de ténacité
• Domaine d'application final (chimie uniquement, charge mécanique oui/non etc.)
Connaissances expérimentales fusionnées
Suite à une étude approfondie des données expérimentales et des normes, il a été possible de compiler des recommandations pour les quatre qualités duplex examinées, voir le tableau 3. Il convient de reconnaître que la plupart des données sont créées à partir d'expériences en laboratoire réalisées avec des incréments de température de 25 °C. .
Il convient également de noter que ces recommandations font référence à au moins 50 % de la ténacité restant à TA.Lorsque dans le tableau « période de temps plus longue » est indiqué, aucune diminution significative à RT n'a été documentée.De plus, la soudure n'a été testée qu'à -40 °C.Enfin, il convient de noter qu'un temps d'exposition plus long est prévu pour le DX 2304, compte tenu de sa grande ténacité après 3 000 heures de tests.Cependant, la mesure dans laquelle l'exposition peut être augmentée doit être vérifiée par des tests supplémentaires.
Il y a trois points importants à noter :
• Les résultats actuels indiquent que si des soudures sont présentes, l'OT est diminué d'environ 25 °C.
• Des pics de température à court terme (dizaines d'heures à T=375 °C) sont acceptables pour le DX 2205. Comme le DX 2304 et le LDX 2101 sont des nuances faiblement alliées, des pics de température à court terme comparables devraient également être acceptables.
• Lorsque le matériau est fragilisé par décomposition, un traitement thermique d'atténuation à 550 – 600 °C pour le DX 2205 et à 500 °C pour le SDX 2507 pendant 1 heure permet de récupérer la ténacité de 70 %.
Heure de publication : 04 février 2023