Analyse détaillée des matériaux et des propriétés de la tige en alliage Incoloy

Une commande de barres est constituée de trois décisions, et la plupart des pages de catalogue ne répondent qu'à la première. La nuance est une décision. L'état de fourniture est la deuxième. La spécification sur laquelle le certificat sera rédigé est la troisième. Un acheteur qui règle la nuance et laisse les deux autres à l'aciérie n'a pas acheté de matériau, et la facture le prouvera.

La démonstration la plus claire est l'alliage 800 sous forme de barre. La même chimie, testée à température ambiante, donne une limite d'élasticité de 250 MPa lorsqu'elle est recuite à 980 °C, 445 MPa lorsqu'elle est laminée à chaud, et 690 MPa lorsqu'elle est étirée à froid. La résistance à la traction passe de 590 à 665 à 771 MPa à travers les mêmes trois conditions, et la dureté passe de 138 à 198 HB entre les deux premières. Rien dans la composition n'a changé. Le traitement, oui.

Cet écart explique pourquoi une page intitulée « Matériaux et propriétés des barres d'alliage Incoloy » doit commencer par un avertissement sur son propre sujet. Il n'existe pas un seul ensemble de propriétés pour une nuance de barre. Il existe un ensemble de propriétés pour une nuance dans un état nommé à une température de test nommée, et tout le reste est une moyenne de choses qui ne devraient pas être moyennées.

Cette page couvre les trois familles d'Incoloy qui sont fournies sous forme de barres, les états dans lesquels chacune est achetée, la température à laquelle chacune cesse d'être la bonne réponse, et les quatre éléments qui doivent figurer sur un bon de commande avant que le certificat ait un sens.

Incoloy est une marque du groupe Special Metals couvrant une famille d'alliages nickel-fer-chrome. Ce n'est pas une nuance. Trois membres de cette famille sont couramment fournis sous forme de barres et de barres, et ils sont utilisés pour trois travaux différents.

La série 800 est un alliage austénitique nickel-fer-chrome avec environ 32 % de nickel et 21 % de chrome, et c'est le membre résistant à la chaleur du groupe. L'alliage 825 augmente le nickel dans la gamme de 38 à 46 % et ajoute du molybdène et du cuivre, ce qui en fait un alliage de corrosion aqueuse pour l'acide sulfurique, l'acide phosphorique et l'eau de mer. L'alliage 925 conserve la base 825 et augmente le titane et l'aluminium, ce qui le rend durcissable par précipitation et porte la limite d'élasticité de 271 MPa à 832 MPa après un traitement thermique en deux étapes.

Deux choses découlent de ce tableau avant même qu'une propriété soit discutée. La première est qu'une demande de barres Incoloy a nommé une famille et rien d'autre, donc la première réponse doit être une question sur la nuance. La seconde est que la ligne 800 contient trois numéros UNS avec une chimie presque identique, et la différence entre eux est une plage de carbone, un total d'aluminium et de titane, et une taille de grain. Ce ne sont pas des différences cosmétiques, et elles ne sont pas visibles sur un certificat qui ne rapporte que la chimie.

Le tableau ci-dessous compare six produits de barres et de barres à température ambiante. Cinq des six sont les mêmes trois familles déjà décrites. Le sixième est la même chimie 800 dans un troisième état, ce qui est le but de l'exercice.

La plage de limite d'élasticité dans ce tableau va de 250 à 832 MPa, soit un facteur de 3,3, et seule une partie de cet écart provient du changement d'alliage. La colonne 800 seule couvre 250 à 690 MPa avec une chimie constante. Un acheteur qui compare la limite d'élasticité de 800 avec la limite d'élasticité de 925 à partir de deux fiches de données compare une barre recuite à une barre vieillie, et conclura que 925 est un alliage plus résistant alors que la plupart de la différence est un programme de four.

La lecture pratique est simple. Là où une conception nécessite 700 MPa à partir de 800, la réponse est une barre étirée à froid, et le même achat apporte un allongement de 17 % et une dureté qui n'est pas publiée pour cet état. Là où la conception nécessite une ductilité pour une pièce formée ou soudée, la réponse est une barre recuite à 250 MPa avec 138 HB, et le dessin doit accepter la résistance plus faible. Les deux sont de la même nuance et ne sont pas interchangeables.

La même logique explique la ligne 825. La barre recuite se situe à 324 MPa de limite d'élasticité, ce qui est faible pour un alliage de corrosion, et le bulletin note que l'alliage peut être considérablement renforcé par travail à froid. Le tube étiré à froid de la même nuance atteint 889 MPa de limite d'élasticité avec 15 % d'allongement. Une commande de barre qui nécessite plus que la résistance recuite doit demander un état étiré à froid et accepter la même perte de ductilité que celle montrée par les données du tube.

L'alliage 800 a été lancé dans les années 1950 comme alliage résistant à la chaleur avec une teneur en nickel relativement faible, et la raison de ce dernier détail était une désignation stratégique du nickel à l'époque. Il a été approuvé pour les récipients sous pression en 1963, et l'approbation a introduit la distinction qui régit encore la série : nuance 1 recuite à environ 980 °C, et nuance 2 recuite à environ 1 150 °C. La deuxième nuance est ce qui est devenu 800H.

La raison de la deuxième nuance est le fluage. L'alliage 800 est destiné à un service allant jusqu'à environ 816 °C, et à ces températures, la conception est normalement basée sur les propriétés de traction. Au-dessus de cette température, la conception est régie par la rupture et le fluage, et les deux répondent à la taille du grain et à la teneur en carbone. Une structure à gros grains supporte mieux le glissement des joints de grains qu'une structure à grains fins, et un niveau de carbone plus élevé soutient le réseau de carbures qui fixe les joints. L'alliage 800H a été écrit pour exiger les deux, et sa spécification demande une plage de carbone de 0,05 à 0,10 % ainsi qu'une taille de grain moyenne de ASTM 5 ou plus grossière.

L'alliage 800HT est une restriction supplémentaire dans le même cadre, introduite pour maintenir l'aluminium et le titane dans la partie supérieure de la plage, où les propriétés de fluage et de rupture sont plus élevées. Sa chimie est dans les limites de 800H, son aluminium plus titane est de 0,85 à 1,20 % contre 0,30 à 1,20 % pour 800H, et son traitement thermique est de 2 100 °F (1 149 °C) minimum.

La dernière colonne est celle qui cause des problèmes commerciaux. L'alliage 800HT répond aux exigences de N08811 et N08810 et peut être certifié pour l'un ou l'autre ou pour les deux. L'inverse n'est pas vrai. Le matériau produit selon N08810 ne peut pas être certifié comme N08811 à moins qu'il ne réponde aux exigences supplémentaires en aluminium, titane et traitement thermique, et un fournisseur qui propose 800H comme substitut à 800HT a proposé une contrainte de conception différente.

La taille du grain doit figurer sur le bon de commande pour la même raison. C'est le résultat du recuit final et de la quantité de travail à chaud avant, et ce n'est pas récupérable à partir d'un certificat de chimie. Un acheteur qui commande 800H par composition seule peut recevoir une barre à grain fin qui répond à tous les éléments de la chimie et ne délivre pas la durée de vie en fluage supposée par la conception.

La nuance 825 est une proposition différente. C'est un alliage nickel-fer-chrome avec molybdène, cuivre et titane, et les additions visent la corrosion aqueuse. Le chrome couvre les milieux oxydants tels que l'acide nitrique et les nitrates. Le molybdène et le cuivre couvrent les milieux réducteurs tels que l'acide sulfurique et phosphorique. Le molybdène augmente également la résistance à la corrosion par piqûres et par crevasses. Le titane, avec le bon traitement thermique, stabilise l'alliage contre la sensibilisation à la corrosion intergranulaire.

La limite de température est la partie que les pages du catalogue omettent. Le bulletin de l'alliage indique que l'exposition au-dessus d'environ 1 000 °F (540 °C) peut provoquer des changements microstructuraux et la formation de phases qui abaissent considérablement la ductilité et la résistance aux chocs, et que pour cette raison, l'alliage n'est normalement pas utilisé à des températures où les propriétés de fluage-rupture sont des facteurs de conception. Ce n'est pas une détarification pour une forme de produit spécifique. C'est une déclaration sur l'alliage.

Pour un acheteur de barres, la conséquence est que le 825 appartient au côté corrosion d'une installation et non au côté chaud. Un tube d'échangeur de chaleur, un corps de vanne ou un arbre de pompe en service d'acide sulfurique est son application. Un support qui fonctionne à 700 °C ne l'est pas, et aucune quantité de nickel dans l'analyse ne change cela.

Le traitement thermique est également important ici. Les produits de laminoir sont traités pour développer la combinaison de stabilisation, de résistance à la corrosion, de propriétés mécaniques et de formabilité. Les recuits ultérieurs doivent être compris entre 1 700 et 1 800 °F (930 et 980 °C) suivis d'un refroidissement rapide à l'air ou d'une trempe à l'eau. Les sections épaisses peuvent être sensibilisées lors du refroidissement à partir de la température de travail à chaud et peuvent alors être sujettes à la corrosion intergranulaire dans certains milieux, auquel cas un recuit de stabilisation restaure la résistance. Une barre qui est retravaillée dans un atelier de fabrication et laissée à refroidir à l'air est une barre qui peut avoir perdu la propriété pour laquelle elle a été achetée.

L'alliage 925 est la base 825 avec le titane augmenté de 0,6 à 1,2 % dans la plage de 1,9 à 2,4 % et avec de l'aluminium ajouté à 0,1 à 0,5 %. Ces deux éléments sont l'ajout de renforcement, pas un ajout de corrosion. Le traitement thermique précipite la phase gamma prime, Ni3(Al, Ti), et ce précipité est ce qui porte la limite d'élasticité de 271 MPa à l'état recuit en solution à 832 MPa après vieillissement.

Cette distinction corrige une description courante. La nuance 925 est souvent présentée comme 825 avec un alliage supplémentaire pour la résistance à la corrosion et aux piqûres. Le molybdène et le cuivre sont les ajouts de corrosion et ils sont les mêmes que dans le 825. Le titane et l'aluminium sont là pour la résistance. La résistance à la corrosion des deux nuances est proche, comme le montrent les données de service en milieu acide dans le bulletin de l'alliage : dans un test d'autoclave en milieu acide avec du soufre libre, le 925 a corrodé à 1,1 et 1,2 mpy dans deux solutions et le 825 à 1,1 et 1,6 mpy, contre 3,9 et 4,5 mpy pour l'acier inoxydable de type 316.

Le traitement thermique comporte deux étapes et les deux ont des tolérances qui sont importantes pour une commande de barres. Le recuit en solution est effectué à 1 800 à 1 900 °F (980 à 1 040 °C) pendant un minimum de 30 minutes et un maximum de 4 heures, avec un refroidissement équivalent à un refroidissement à l'air ou plus rapide pour les sections de 1 pouce (25 mm) et moins, et une trempe à l'eau pour toutes les tailles supérieures à 1 pouce. Le vieillissement suit à 1 350 à 1 380 °F (732 à 749 °C) pendant 6 à 9 heures, refroidissement au four à 1 150 °F (621 °C), puis maintien à 621 °C plus ou moins 8 °C pour un temps de vieillissement total de 18 heures.

La colonne de diamètre est la partie qui surprend les acheteurs. Les limites de propriétés sont écrites par forme de produit et par taille, et la voie du travail à chaud est soumise à une limite d'élasticité minimale plus élevée que la voie du travail à froid car la barre d'essai provient d'une partie différente du processus. Un bon de commande qui cite la limite d'élasticité minimale sans la plage de diamètre a cité un chiffre qui peut ne pas s'appliquer à la barre coupée.

La séquence d'usinage est la deuxième conséquence pratique. L'usinage grossier est effectué avant le durcissement par vieillissement et la finition après, car l'alliage se travaille bien à l'état recuit en solution et vieilli, et mal entre les deux. Le bulletin va plus loin sur la déformation : après avoir alézé une barre jusqu'à une épaisseur de paroi inférieure à environ 25 mm, le tournage a produit une déformation allant jusqu'à 0,010 pouce (0,25 mm), et le faux-rond a été éliminé ou considérablement réduit en laissant le matériau reposer pendant plusieurs semaines ou en le réchauffant à 1 150 °F (621 °C) pendant 2 heures avant le tournage. Un atelier qui aléise et finit en une seule opération maintiendra une tolérance que le matériau ne maintiendra pas.

Le soudage comporte sa propre restriction. Le soudage TIG et le soudage MIG avec le fil de remplissage correspondant 725NDUR sont les voies recommandées, et le soudage sous flux et le soudage à l'arc avec électrode enrobée ne sont pas recommandés pour cette nuance. Une barre qui devient un assemblage soudé doit être conçue en conséquence.

Une affirmation courante pour le groupe est que ces barres conservent leur résistance à des températures dépassant souvent 1 000 °C, selon la nuance. Cette phrase ne survit pas au contact des trois bulletins d'alliage. L'alliage 825 est limité à environ 540 °C. L'alliage 925 conserve sa résistance jusqu'à environ 650 °C. L'alliage 800 est conçu pour 816 °C, et au-dessus, la réponse est un traitement thermique différent au sein de la même famille, pas la même barre à une température plus élevée.

D'où vient le chiffre de 1 000 °C, ce sont les tests de fluage et de rupture des nuances 800H et 800HT, qui sont rapportés à des températures bien au-dessus de la plage de conception. Une température de test n'est pas une température de service. Une barre chargée à 1 000 °C est en dehors de la base de conception de chaque nuance de cette famille, et une spécification qui cite un tel chiffre a confondu le laboratoire avec le four.

Cinq éléments décident si le certificat correspond à la pièce. Le premier est la nuance avec son numéro UNS, car le nom commercial seul ne fixe pas la chimie. Le second est l'état de fourniture, écrit comme recuit, laminé à chaud, étiré à froid, ou recuit en solution et vieilli, avec le traitement de vieillissement si ce dernier s'applique. Le troisième est la taille du grain, pour 800H et 800HT uniquement, car c'est le résultat du recuit final et il n'est pas dans la chimie. Le quatrième est la base de propriété, c'est-à-dire la température de test et si les valeurs sont des minima ou des typiques. Le cinquième est le document d'inspection.

La ligne 925 mérite une note. Le bulletin de l'alliage nomme trois documents pour le produit et ne nomme pas de spécification distincte pour les barres et barres ASTM, donc un bon de commande qui en invente un a inventé un document. Les limites de propriétés pour la nuance proviennent de la spécification du producteur HA 46, et la base pour les récipients sous pression provient du Code Case 2218. Un acheteur qui a besoin d'une référence ASTM pour le 925 devrait demander au fournisseur de préciser laquelle des deux il certifie.

Le certificat lui-même doit être un document EN 10204 3.1, qui porte les résultats réels des tests du lot et est approuvé par le représentant de l'inspection indépendante du fabricant. Un certificat 2.2 rapporte les résultats d'une inspection non spécifique et n'est pas le même document, et la différence est importante lorsque la pièce entre dans une enceinte sous pression.

DLX fournit les nuances Incoloy en barres et barres de Changzhou, Jiangsu, ainsi que les mêmes familles en fil à partir de 0,025 mm et en bande de 0,50 mm à 2,5 mm lorsque l'application passe à une forme différente. Les commandes sont produites selon la norme nommée sur le bon de commande, avec un certificat EN 10204 3.1 sur demande et le numéro de chaleur traçable aux résultats des tests.

Deux questions décident de la plupart des devis. La première est l'état, car un prix pour 800 recuit n'est pas un prix pour 800 étiré à froid. La seconde est de savoir si la nuance nécessite une exigence de taille de grain, car 800H et 800HT ne peuvent pas être cotés sans une.

La réponse dépend de l'environnement et non du nom commercial. Pour une pièce de four ou un échangeur de chaleur au-dessus de 600 °C, la série 800 est le candidat, avec 800H ou 800HT au-dessus de 816 °C. Pour l'acide sulfurique, l'acide phosphorique ou l'eau de mer en dessous d'environ 540 °C, le 825 est le candidat. Pour une pièce de fond de puits ou de tête de puits nécessitant une limite d'élasticité minimale de 724 MPa avec résistance en milieu acide, le 925 est le candidat.

Parce que le fluage et la rupture dépendent des joints de grains et des carbures, et que 800H exige une plage de carbone de 0,05 à 0,10 % ainsi qu'une taille de grain moyenne de ASTM 5 ou plus grossière. Le gros grain réduit le glissement des joints et le carbone soutient le réseau de carbures qui fixe les joints. L'alliage 800 n'a aucune de ces exigences, donc sa base de conception au-dessus de 816 °C n'est pas la même.

Non. Le bulletin de l'alliage le limite à environ 540 °C, au-dessus duquel la formation de phases abaisse considérablement la ductilité et la résistance aux chocs, et stipule que l'alliage n'est normalement pas utilisé là où les propriétés de fluage-rupture sont des facteurs de conception. La limite est une propriété de l'alliage et s'applique aux barres, barres, tubes et tôles indifféremment.

Le vieillissement précipite la phase gamma prime, Ni3(Al, Ti), qui augmente la limite d'élasticité de 271 MPa à l'état recuit en solution à 832 MPa. Il est effectué après le recuit en solution à 980 à 1 040 °C, à 732 à 749 °C pendant 6 à 9 heures, puis refroidi au four à 621 °C et maintenu pendant un temps de vieillissement total de 18 heures. L'usinage grossier est effectué avant le vieillissement et la finition après.

C'est un 825 plus résistant, et la résistance à la corrosion des deux est proche. Les additions de titane et d'aluminium dans le 925 sont là pour la réaction gamma prime. Le molybdène et le cuivre, qui confèrent la résistance aux acides réducteurs, sont les mêmes dans les deux nuances. Dans le test d'autoclave en milieu acide avec du soufre libre, les deux alliages ont enregistré des taux similaires, et tous deux étaient bien inférieurs à l'acier inoxydable de type 316.

Seulement lorsque l'état et la température de test correspondent. La même chimie 800 donne une limite d'élasticité de 250 MPa recuite, 445 MPa laminée à chaud et 690 MPa étirée à froid. Une comparaison entre une valeur de feuille 800 recuite et une valeur de barre 800 étirée à froid est une comparaison de deux processus, et l'alliage disparaît de la comparaison.

La famille des barres Incoloy couvre trois applications. La série 800 est le membre résistant à la chaleur, et ses trois numéros UNS diffèrent par le carbone, par l'aluminium et le titane, et par la taille du grain, la taille du grain portant la contrainte de conception en fluage au-dessus de 816 °C. L'alliage 825 est le membre de corrosion aqueuse, avec un plafond proche de 540 °C que les pages du catalogue ont tendance à omettre. L'alliage 925 est le membre durcissable par vieillissement, avec une limite d'élasticité de 832 MPa après un traitement en deux étapes et un tableau de propriétés qui est écrit par forme de produit et diamètre.

La propriété qui les relie est qu'aucune de ces nuances n'a de résistance sans condition. L'écart de 250 à 832 MPa à travers la famille, et de 250 à 690 MPa au sein d'une nuance, est plus grand que la différence entre la plupart des nuances. Un bon de commande qui nomme la nuance, l'état, la taille du grain le cas échéant, et le certificat a spécifié un matériau. Celui qui nomme un nom commercial a spécifié une famille.