GB/T 3098.24-2020 : Fixations en acier inoxydable et en alliage de nickel haute température

Introduction à la norme GB/T 3098.24-2020

La norme GB/T 3098.24-2020 spécifie les propriétés mécaniques des boulons, vis, goujons et écrous en aciers inoxydables et alliages de nickel destinés aux applications à haute température. Cette norme fait partie de la série GB/T 3098 relative aux éléments de fixation et porte sur les matériaux qui conservent leur intégrité structurelle à des températures élevées, telles que celles rencontrées dans les secteurs de l'aérospatiale, de la production d'énergie et de la pétrochimie. Elle garantit que ces éléments de fixation présentent des performances fiables en termes de résistance, de ductilité et de résistance à la corrosion lorsqu'ils sont exposés à des températures supérieures aux températures ambiantes.

La norme classe les matériaux en aciers inoxydables martensitiques, aciers inoxydables austénitiques à durcissement structural et alliages de nickel, chacun étant adapté à des applications spécifiques à haute température. Ses principaux aspects comprennent les limites de composition chimique, les régimes de traitement thermique, les exigences en matière d'essais mécaniques et les recommandations relatives à l'assemblage des boulons et des écrous afin de prévenir les problèmes de grippage ou de corrosion. Le respect de cette norme est essentiel pour les ingénieurs et les fabricants afin de sélectionner des fixations appropriées, capables de résister aux contraintes thermiques, à l'oxydation et au fluage, sans compromettre la sécurité ni la fonctionnalité.

En pratique, cette norme s'aligne sur les normes internationales telles que l'ISO 3506, fournissant un cadre pour l'assurance qualité dans la production de fixations. Elle souligne l'importance du choix des matériaux en fonction des environnements d'utilisation, où des facteurs comme la résistance au fluage et la dilatation thermique jouent un rôle primordial. Par exemple, les alliages de nickel comme l'alliage 718 sont privilégiés pour leur résistance supérieure à haute température, tandis que les nuances martensitiques offrent des solutions économiques pour les températures modérées. Le document renvoie également à des annexes présentant les équivalents de matériaux nationaux et des lignes directrices sur la sélection des aciers inoxydables ou des alliages de nickel conformément à la norme GB/T 3098.25.

La compréhension de cette norme exige une connaissance de la mécanique des fixations, notamment du comportement contrainte-déformation à haute température. Elle impose des essais dans des conditions ambiantes (10 °C à 35 °C) mais recommande des évaluations supplémentaires à haute température pour les applications critiques. Ceci garantit que les fixations satisfont aux critères minimaux de résistance à la traction, de limite d'élasticité et d'allongement, prévenant ainsi les défaillances en service. Les fabricants doivent respecter les traitements thermiques spécifiés pour obtenir les microstructures souhaitées, telles que la martensite pour la dureté ou l'austénite pour la ductilité. Globalement, la norme GB/T 3098.24-2020 favorise la fiabilité des systèmes de fixation haute température, réduisant les risques liés à la dégradation des matériaux au fil du temps.

De plus, la norme traite des traitements de surface visant à atténuer le grippage, un problème courant avec les aciers inoxydables et les alliages de nickel en raison de leur faible conductivité thermique et de leurs coefficients de frottement élevés. La lubrification est recommandée pour garantir des relations couple-tension constantes et améliorer l'efficacité de l'assemblage. En optimisant les compositions chimiques et les procédés de fabrication, cette norme facilite la production de fixations performantes dans des conditions exigeantes, contribuant ainsi aux progrès de la conception technique et de la science des matériaux.

Symboles et désignations

Les symboles suivants s'appliquent à ce document et définissent précisément les paramètres mécaniques et dimensionnels essentiels à l'évaluation des performances des fixations. Ces notations garantissent la cohérence des essais et des spécifications, permettant ainsi aux ingénieurs d'évaluer avec précision des propriétés telles que la résistance et l'allongement sous charge.

• UN: Allongement réel après rupture de la fixation, en millimètres (mm).
• UN_s,nom: Section transversale de contrainte nominale du fil, en millimètres carrés (mm²).
• UN_T: Allongement réel à haute température après rupture de la fixation, en millimètres (mm).
• b: Longueur du filetage, en millimètres (mm).
• D: Diamètre nominal du filetage intérieur, en millimètres (mm).
• D₂: Diamètre primitif de base du filetage intérieur, en millimètres (mm).
• d: Diamètre nominal du filetage extérieur, en millimètres (mm).
• d_h: Diamètre du trou dans le dispositif d'essai de traction ou le dispositif d'essai de charge d'écrou pour les fixations à filetage extérieur, en millimètres (mm).
• d_s: Diamètre de la tige sans filetage, en millimètres (mm).
• d₁: Diamètre mineur de base du filetage extérieur, en millimètres (mm).
• d₂: Diamètre primitif de base du filetage extérieur, en millimètres (mm).
• d₃: Diamètre mineur du filetage extérieur (pour le calcul de la zone de contrainte), en millimètres (mm).
• F_mf: Charge de traction ultime, en newtons (N).
• F_mf,T: Charge de traction ultime à haute température, en newtons (N).
• F_n,T: Charge de dénudage ultime à haute température pour les écrous, en newtons (N).
• F_p: Charge d'épreuve pour les écrous, en newtons (N).
• F_pf: Charge réelle à 0,2% d'extension plastique de la fixation, en newtons (N).
• F_pf,T: Charge réelle à haute température à 0,2% d'extension plastique de la fixation, en newtons (N).
• H: Hauteur du triangle d'origine du fil, en millimètres (mm).
• h: Épaisseur du dispositif d'essai de charge d'écrou, en millimètres (mm).
• L₀: Longueur totale de la fixation avant chargement, en millimètres (mm).
• L₁: Longueur totale de la fixation après fracture, en millimètres (mm).
• L₂: Longueur de la poignée avant l'essai de traction, en millimètres (mm).
• l: Longueur nominale de la fixation à filetage extérieur, en millimètres (mm).
• l₁: Longueur totale du goujon, en millimètres (mm).
• l_ème: Longueur du filetage non engagé dans le dispositif d'essai pour la fixation, en millimètres (mm).
• m: Hauteur de l'écrou, en millimètres (mm).
• P: Pas, en millimètres (mm).
• R_mf: Résistance à la traction réelle de la fixation, en mégapascals (MPa).
• R_mf,T: Résistance réelle à la traction à haute température de la fixation, en mégapascals (MPa).
• R_n,T: Résistance ultime au dénudage à haute température pour les noix, en mégapascals (MPa).
• R_pf: Contrainte réelle à 0,2% d'extension plastique de la fixation, en mégapascals (MPa).
• R_pf,T: Contrainte réelle à haute température à 0,2% d'extension plastique de la fixation, en mégapascals (MPa).
• S_p: Contrainte d'épreuve, en mégapascals (MPa).

Ces symboles sont essentiels aux calculs lors des essais mécaniques, notamment pour déterminer la résistance à la traction (R)._mf = F_mf / UN_s,nom) et la contrainte d'épreuve. Ils facilitent une communication précise dans les spécifications de conception, garantissant ainsi une évaluation cohérente des fixations tout au long des phases de fabrication et d'application. Pour les scénarios à haute température, des symboles comme R_mf,T et F_pf,T Il convient de tenir compte des effets thermiques sur le comportement des matériaux, tels que la diminution de la limite d'élasticité due aux températures élevées. L'utilisation correcte de ces désignations évite les erreurs d'interprétation et renforce la sécurité dans les applications d'ingénierie.

De plus, la compréhension de ces symboles facilite la conformité aux normes en vigueur, où des paramètres dimensionnels tels que d et P influent sur la résistance du filetage et la répartition de la charge. Par exemple, la zone de contrainte nominale A_s,nom est calculé à l'aide de formules impliquant d₂ et d₃, essentiel pour prédire les modes de défaillance sous tension.

Système de notation

Tous les aciers inoxydables et alliages de nickel spécifiés dans la présente partie se répartissent en trois catégories distinctes : les aciers inoxydables martensitiques (CH0, CH1, CH2, V, VH, VW), les aciers inoxydables austénitiques à durcissement structural (SD) et les alliages de nickel (SB et 718). Ce système de marquage offre une méthode normalisée d’identification des nuances de matériaux, garantissant ainsi leur traçabilité et leur sélection appropriée pour les applications à haute température.

Les aciers martensitiques comme le CH0 (par exemple, X20Cr13) sont caractérisés par leur trempabilité par traitement thermique, offrant une bonne résistance à des températures modérées. Les désignations V, VH et VW indiquent différents niveaux de limite d'élasticité, le VH nécessitant une limite d'élasticité supérieure à 100°._pf ≥ 700 MPa pour des performances accrues. Les marquages ​​SD indiquent des alliages austénitiques durcis par précipitation, comme le X6NiCrTiMoVB25-15-2, reconnus pour leur résistance à la corrosion et leur maintien de la résistance mécanique jusqu'à 650 °C. Les alliages de nickel SB (NiCr20TiAl) et 718 (NiCr19NbMo) sont marqués pour leur résistance supérieure au fluage, idéale pour des températures allant jusqu'à 800 °C et 700 °C, respectivement.

Le marquage garantit la compatibilité des assemblages, évitant ainsi les erreurs d'assemblage susceptibles d'entraîner des défaillances. Pour les fixations lubrifiées, la mention « Lu » est ajoutée (par exemple, SD Lu) afin d'indiquer les traitements de surface visant à réduire le grippage. Ce système est conforme aux normes ISO, facilitant ainsi le commerce international et le contrôle qualité dans la fabrication des fixations.

Le marquage détaillé comprend le code du matériau, l'état du traitement thermique (par exemple, +QT pour trempé et revenu) et la classe de performance, permettant une vérification rapide lors du contrôle. Un marquage correct est essentiel pour la gestion des stocks et la conformité réglementaire dans des secteurs comme la fabrication de turbines.

Matériaux et procédés

Composition chimique

Les tableaux 1 à 3 précisent les limites de composition chimique des aciers inoxydables et des alliages de nickel utilisés dans les fixations. Ces limites sont évaluées conformément aux normes nationales pertinentes, dont les équivalents nationaux figurent à l'annexe A. Sauf accord contraire, le fabricant choisit la composition au sein du groupe.

La norme GB/T 3098.25 fournit des lignes directrices pour le choix des alliages appropriés. Les compositions sont données en fractions massiques (%), avec les valeurs maximales sauf indication contraire (plages ou valeurs minimales).

La composition chimique est conçue pour optimiser des propriétés telles que la résistance à la corrosion, la résistance mécanique et la stabilité à haute température. Par exemple, une teneur élevée en chrome dans les aciers martensitiques améliore la résistance à l'oxydation, tandis que le niobium dans l'alliage 718 stabilise le matériau contre le fluage. Un contrôle rigoureux des éléments comme le phosphore et le soufre minimise la fragilisation. Les fabricants doivent vérifier la composition par analyse spectroscopique afin d'en garantir la conformité, car tout écart peut entraîner une baisse de performance en service. Cette section souligne l'importance de la pureté des matériaux pour une fiabilité à long terme dans les environnements à haute température.

Traitement thermique

Les éléments de fixation fabriqués conformément à cette norme doivent subir un traitement thermique afin d'atteindre les propriétés mécaniques spécifiées au chapitre 7. Les régimes de traitement thermique sont détaillés dans le tableau 4, les températures minimales de revenu pour les aciers martensitiques étant sélectionnées en conséquence. Les durées de maintien non spécifiées sont choisies par le fabricant, en tenant compte des propriétés requises et des températures de service.

Processus de fabrication : Pour les aciers SD, SB et 718, un traitement de mise en solution (TA) est requis, de préférence après formage. Pour les filetages extérieurs haute résistance (R_mf ≥ 1100 MPa), le traitement thermique peut être appliqué à la matière première sur accord préalable. Le traitement thermique des fixations formées à froid ou forgées à chaud est effectué après formage. Pour les fixations usinées, il peut être appliqué à la matière première ou au produit fini, le filetage étant possible avant ou après traitement.

Le traitement thermique optimise la microstructure pour obtenir les propriétés souhaitées, comme le durcissement des aciers martensitiques ou la précipitation de phases dans les alliages de nickel pour une meilleure résistance. Un traitement inadéquat peut engendrer une fragilité ou une résistance à la corrosion réduite. Les fabricants doivent contrôler les températures et les vitesses de refroidissement afin d'obtenir des propriétés uniformes, et des inspections post-traitement garantissent la conformité.

Finition de surface

Sauf indication contraire, les fixations doivent être nettoyées et polies. La lubrification est recommandée pour éviter le grippage lors du montage, notamment en cas de couple ou de vitesse élevés. Les facteurs augmentant le risque de grippage comprennent l'endommagement du filetage et les précharges élevées.

Remarque 1 : Des paramètres tels qu’une vitesse de serrage élevée augmentent le risque de grippage. Remarque 2 : Aucune norme nationale ne spécifie les défauts de surface ni le couple de serrage pour ces alliages.

Les traitements de surface permettent un contrôle précis du couple de serrage, indiqué par la mention « Lu » (par exemple, SD Lu). Des exigences particulières peuvent être convenues.

L'état de surface est essentiel aux performances, car il réduit le frottement et améliore la résistance à la corrosion. Le polissage élimine les oxydes, tandis que la lubrification garantit des précharges fiables. En service à haute température, les revêtements doivent résister à la dégradation thermique.

Conception d'appariement boulon et écrou

Les boulons, vis, goujons et écrous doivent être appariés conformément au tableau 5. Les écrous doivent correspondre aux fixations de même code (par exemple, boulon CH0 avec écrou CH0). L'utilisation de matériaux différents est possible après consultation d'experts, en tenant compte de la corrosion et du grippage.

Lorsque les pièces serrées diffèrent du matériau de la fixation, utilisez une isolation pour éviter la corrosion galvanique.

L'appariement garantit la répartition de la charge et la compatibilité, minimisant ainsi les risques de dénudation. Le recours à un expert est essentiel pour les appariements non standard.

Résistance aux environnements à haute température

Ces matériaux conviennent aux environnements où la résistance au fluage détermine le dimensionnement et où l'oxydation se produit à haute température. Les aciers SD, SB et 718 résistent également à la corrosion en milieu humide.

La résistance à l'oxydation et à l'entartrage est obtenue par alliage, le chrome formant des oxydes protecteurs. La résistance au fluage est essentielle pour les charges de longue durée à haute température.

Dans des applications telles que les turbines à gaz, ces matériaux conservent leur intégrité sous l'effet des cycles thermiques, empêchant ainsi les défaillances dues à la fatigue ou à la fragilisation.

Températures de fonctionnement des fixations

Les propriétés décrites au chapitre 7 sont testées entre 10 °C et 35 °C. Une utilisation à haute température dégrade ces propriétés. Les températures maximales recommandées sont indiquées dans le tableau 6, mais peuvent être inférieures selon les conditions d'utilisation.

Pour des applications spécifiques, effectuez des essais de traction, de fluage ou de relaxation à haute température conformément au chapitre 10, en simulant les conditions d'assemblage.

Ces températures orientent la conception, en tenant compte de facteurs tels que l'oxydation et le fluage. Les essais garantissent les performances en conditions réelles d'utilisation.

Propriétés mécaniques des fixations

Boulons, vis et goujons

Lorsqu'elles sont testées conformément au chapitre 9, les propriétés mécaniques à température ambiante doivent répondre aux tableaux 7 à 11, applicables pendant la fabrication ou sur les produits finis.

Ces propriétés garantissent que les fixations résistent aux charges de traction sans déformation excessive. Par exemple, une valeur R élevée_mf L'acier 718 convient aux applications exigeantes. Sa dureté variable prévient la fragilité tout en préservant la résistance.

noix

Les propriétés mécaniques des écrous sont spécifiées de manière similaire, en mettant l'accent sur les charges d'épreuve et la résistance à l'arrachement à haute température. Elles doivent correspondre aux propriétés des boulons afin d'éviter les points faibles des assemblages.

Méthodes d'essai

Les essais prévus au chapitre 9 comprennent des essais de traction pour R_mf et R_pfDes mesures de dureté et des évaluations à haute température du fluage et de la relaxation sont réalisées conformément au chapitre 10. Les méthodes employées garantissent une évaluation précise des propriétés dans des conditions simulées.