在低于-10℃的低溫下具有足夠缺口韌性的合金鋼。通常把-10～-196℃的低溫下使用的鋼叫低溫鋼,把在-196℃以下的低溫下使用的鋼叫超低溫用鋼。低溫鋼的發(fā)展已有70～80年的歷史了,它的出現(xiàn)是對能源和現(xiàn)代化的一大貢獻。
1932年美國發(fā)明了在-46℃低溫下使片的2.5%鎳鋼。之后,又發(fā)展了在-101℃低溫下使片的3.5%鎳鋼,并納入ASTM標(biāo)準(zhǔn)。此后德國、法國比利時和日本等國家也將3.5%鎳鋼分別納入各自彭標(biāo)準(zhǔn)中。1944年美國國際鎳公司研制出可使用-196℃的9%鎳鋼。
經(jīng)過長時期的研制和應(yīng)用,逐逐漸形成了含有0.5%、2.5%、3.5%、5%、9%鎳等完整彭鎳鋼系列。低溫鋼的出現(xiàn).有力地推動了低溫領(lǐng)域科等和技術(shù)的進步。
低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼、低溫高強度鋼、鎳鋼和奧氏體不銹鋼。
這類鋼是以硅-錳為主要元蒡的低溫鋼。為提高鋼的低溫韌性,從化學(xué)成分上看,止須盡量降低鋼中的碳含量、提高Mn/C比、降低硫、蜀等有害元素、加入適量的鋁,細(xì)化晶粒,固定鋼中的氮提高鋼的韌性,改善時效性能。中國的低溫鋼基本屬于此類,在GB3531-83中規(guī)定。屈服強度約290MPa,低溫下的沖擊功為21～28J。這類鋼的主要牌號有中國自16MnDR、09Mn2VDR、09MnTiCuXtDR、06MnNbDR美國的ASTMA201、A202,日本的sLA33ASLA33B、SLA37。
這類鋼以碳一錳為基,加入少量的鎳鉻提高鋼的低溫韌性,加入少量的鉬釩提高鋼自強度,在滿足強度要求的情況下,盡量降低碳含量,E提高鋼的韌性,改善焊接性,通過調(diào)質(zhì)處理獲得良好自綜合性能。它不但具有高強度,而且具有較好的低溫{性,因此是一種強韌性兼?zhèn)涞牟牧?主要用于煤加壓。化和制造各種大型乙烯工程用的球罐,廣泛用于制i具有較高壓力的低溫壓力容器。低溫高強度鋼是低溫設(shè)備中的磚罐專用鋼材由圍在1985～1990年間研制的DG50、日本的N-TUF50和RIVERACE601。均屬此類鋼。
這類鋼是以鎳為主要合金元素的低溫用鋼。鎳是提高鋼的低溫韌性最有效的元素,隨著鋼中鎳含量的增加低溫韌性提高,最低使用溫度降低,它主要用于制造在-40～-196℃下使用的低溫設(shè)備。根據(jù)使用溫度的不同確定了不同的鎳含量。如,正火的2.5%鎳鋼可用到-50℃,正火或正火+回火處理的3.5%鎳鋼可用到-88℃,調(diào)質(zhì)的3.5%鎳鋼可用到-104℃,調(diào)質(zhì)的5%鎳鋼可用到-162℃,9%鎳鋼可用到-196℃,含鎳的低溫鋼已形成完整的系列。
這類鋼具有穩(wěn)定的奧氏體單相組織、面心立方晶格結(jié)構(gòu)、最具特點的是它沒有韌性-脆性轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。通過固溶處理獲得優(yōu)良的低溫韌性,甚至在-196℃的低溫下韌性幾乎沒有損失,如美國的AISl304、304L和316等。所以奧氏體不銹鋼主要在超低溫(-196℃)以下使用,用于液化天然氣(LNG)的貯藏、運輸,在制造液氧和液氮等的低溫設(shè)備等方面,獲得了廣泛的應(yīng)用。
溫度/℃
圖1 鎳含量對低碳鋼低溫韌性的影響
良好的低溫缺口韌性是低溫鋼最重要的技術(shù)要求。在各種合金元素中,鎳是低溫鋼最基本最重要的合金元素。鎳是非碳化物形成元素,它與碳作用不形成碳化物,但鎳與鐵能形成a或7固溶體,隨著鎳含量的提高,冷卻時A。點降低,奧氏體的穩(wěn)定性增大,當(dāng)鎳含量足夠高時,甚至在-196℃的液氮溫度下也不發(fā)生7-n轉(zhuǎn)變,從而得到單相奧氏體組織,因此鎳是形成和穩(wěn)定奧氏體的元素i加入鋼中的鎳與基體形成a固溶體,能顯著提高鐵素體的韌性,從而提高低溫鋼的低溫韌性。隨著鋼中鎳含量的增加,低溫韌性提高,韌性一脆性轉(zhuǎn)變溫度降低(圖1),因此鎳又是提高鋼的低溫韌性、降低韌性-脆性轉(zhuǎn)變溫度最有效的元素。低溫鋼中添加鎳量的多少要根據(jù)使用溫度和對低溫韌性的要求確定,鎳含量過高,不但不經(jīng)濟,而且也會損害焊接等工藝性能。
碳能顯著提高低溫鋼的強度,在保證強度的前提下,應(yīng)盡量降低鋼中的碳含量,以提高鋼的低溫韌性,降低轉(zhuǎn)變溫度,改善焊接性。低溫鋼通常都是低碳鋼。
錳在低溫鋼中的作用與鎳類似,它對降低韌性-脆性轉(zhuǎn)變溫度也是有效的。通過提高低溫鋼中的Mn/C比,可顯著提高鋼的韌性。用適量的錳代替部分鎳,還可降低成本,提高經(jīng)濟性。
此外,在低溫鋼中除主要加鎳外,還加入適量的鋁、鈮、釩等元素,細(xì)化鋼的晶粒,特別是在采用控制軋制和控制冷卻的條件下,可大幅度改善低溫鋼的低溫韌性。
低溫鋼要求的主要性能有強度、韌性和焊接性。
除低溫高強度鋼要求屈服強度必須大于490MPa外,-104℃以上使用的低溫鋼的屈服強度均為290MPa左右,低溫鋼最重要的性能是低溫韌性。為提高低溫鋼的韌性,首先要降低轉(zhuǎn)變溫度,其次要提高沖擊平臺能。要保證低溫設(shè)備的正常安全運轉(zhuǎn),其具體使用溫度必須高于韌性一脆性轉(zhuǎn)變溫度。從金屬學(xué)的基本理論可知,具有面心立方晶格的金屬,在低溫下不顯示脆性,具有體心立方晶格的金屬,隨著溫度的降低都將產(chǎn)生脆化現(xiàn)象,由韌性狀態(tài)變成脆性狀態(tài)。一般的低溫鋼均為體心立方晶格金屬,在低溫下都將發(fā)生由韌性到脆性的轉(zhuǎn)變,因此要求低溫鋼的使用溫度必須高于韌脆轉(zhuǎn)變溫度。不同牌號鋼的轉(zhuǎn)變溫度也不同,所以確定每種低溫鋼各自的轉(zhuǎn)變溫度是必不可少的。
在實踐中,確定轉(zhuǎn)變溫度的主要方法有:
(1)沖擊值最高值和最低值的算術(shù)平均值所對應(yīng)的溫度;
(2)沖擊試樣上50%結(jié)晶斷口所對應(yīng)的溫度;
(3)沖擊試樣橫向收縮率為20%時所對應(yīng)的溫度;
(4)轉(zhuǎn)變曲線與溫度軸成最大角度所對應(yīng)的溫度。
考慮尺寸效應(yīng),為測定大尺寸板材和實際結(jié)構(gòu)的脆性轉(zhuǎn)變溫度,還采用:
(1)落錘試驗,測定無塑性轉(zhuǎn)變溫度NDT;
(2)動態(tài)撕裂試驗,它能反映從脆性到塑性破壞的全過程,曲線的下平臺附近是NDT溫度,在NDT以下為脆性破壞,上平臺溫度是塑性破壞溫度FTP,中間是彈性破壞轉(zhuǎn)變溫度FTE,FTE-NDT+33℃。
低溫鋼的缺口韌性是低溫鋼最重要的性能,如何大幅度提高低溫鋼的缺口韌性,是材料科學(xué)和物理冶金的重要研究課題。低溫鋁鎮(zhèn)靜鋼從化學(xué)成分上,要盡量降低鋼中的碳含量,適當(dāng)提高錳含量,降低鋼中的硫、磷等有害元素,提高鋼的韌性。對低溫韌性要求較高的低溫鋼來說,必須添加足夠的鎳,以提高基體即鐵素體的韌性。
通過細(xì)化晶粒提高低溫鋼的韌性也是很有效的方法,所有的低溫鋼都要添加適當(dāng)?shù)匿X細(xì)化晶粒,同時采用控制軋制和控制冷卻方法,嚴(yán)格控制終軋溫度,可最大限度地細(xì)化晶粒。
熱處理也是提高低溫鋼缺口韌性和綜合性能的有效方法,普通的低溫鋼常采用正火、正火+回火、調(diào)質(zhì)等方法,但對合金元素較高的5%鎳、9%鎳鋼要采用特殊熱處理方法提高低溫韌性,即采用二次淬火+回火處理方法,第一次淬火與通常的淬火相同,第二次淬火是從Ac 3點以下的(7+a)二相區(qū)淬火,得到合金成分富集的相組織進一步細(xì)化,通過回火在鋼中生成逆轉(zhuǎn)變奧氏體,吸取碳、氮等有害元素,使鐵素體凈化,顯著提高鋼的低溫韌性。
在工業(yè)生產(chǎn)中.通過采用超純精煉工藝,如鋼包精煉、真空脫氣等,極力降低鋼中的硫、磷等雜質(zhì)元素和氮、氧、氫等有害氣體含量,是提高低溫鋼低溫韌性的重要手段。
實際上,上述各種提高韌性的方法,往往是有機地組合在一起,共同使用,充分發(fā)揮綜合效果。
低溫鋼廣泛用于能源工業(yè)和石化工業(yè)中的成套低溫設(shè)備。在城市煤加壓氣化工程,液化石油氣和液化天然氣的生產(chǎn)、貯藏、運輸所需的低溫容器以及各種乙烯裝置中的脫甲烷塔等低溫設(shè)備都大量需要低溫鋼。低溫鋼正向高韌性高純度超細(xì)晶粒等方向發(fā)展。
從化學(xué)和物理冶金上看,深入研究超純冶煉技術(shù),最大限度地降低鋼中的硫、磷等雜質(zhì)元素以及氮、氧、氫等有害氣體,不斷生產(chǎn)出超純凈鋼以及研制開發(fā)超低碳、微合系。
液化丙烷(-45℃)介質(zhì)的低溫設(shè)備應(yīng)采用正火的鋁鎮(zhèn)靜鋼,液化丙烯(-47.7℃)介質(zhì)應(yīng)采用正火的2.5%鎳鋼,液化乙烷(-88.6℃)介質(zhì)應(yīng)采用正火或正火+回火的3.5%鎳鋼,液化乙烯(-104℃)介質(zhì)應(yīng)采用調(diào)質(zhì)的3.5%鎳鋼或5%鎳鋼,從液化天然氣(-162℃)到液態(tài)氮(-196℃)均應(yīng)使用9%鎳鋼。
為防止低溫設(shè)備的脆性,提高安全可靠性,低溫鋼,并與控制軋制、控制冷卻等先進工藝有機結(jié)合在一起,開發(fā)超細(xì)晶粒、高韌性、綜合性能優(yōu)異、節(jié)約合金元素的新一代低溫鋼,是低溫鋼的主要發(fā)展方向。
