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。低溫鋼的發展已有70～80年的歷史了,它的出現是對能源和現代化的一大貢獻。
1932年美國發明了在-46℃低溫下使片的2.5%鎳鋼。之后,又發展了在-101℃低溫下使片的3.5%鎳鋼,并納入ASTM標準。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準中。1944年美國國際鎳公司研制出可使用-196℃的9%鎳鋼。
經過長時期的研制和應用,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.有力地推動了低溫領域科等和技術的進步。
低碳鋁鎮靜鋼、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,通過調質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備的材料,主要用于煤加壓?；椭圃旄鞣N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℃下使用的低溫設備。根據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℃,調質的3.5%鎳鋼可用到-104℃,調質的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。
這類鋼具有穩定的奧氏體單相組織、面心立方晶格結構、最具特點的是它沒有韌性-脆性轉變現象。通過固溶處理獲得優良的低溫韌性,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備等方面,獲得了廣泛的應用。
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,奧氏體的穩定性增大,當鎳含量足夠高時,甚至在-196℃的液氮溫度下也不發生7-n轉變,從而得到單相奧氏體組織,因此鎳是形成和穩定奧氏體的元素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-脆性轉變溫度最有效的元素。低溫鋼中添加鎳量的多少要根據使用溫度和對低溫韌性的要求確定,鎳含量過高,不但不經濟,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,應盡量降低鋼中的碳含量,以提高鋼的低溫韌性,降低轉變溫度,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,首先要降低轉變溫度,其次要提高沖擊平臺能。要保證低溫設備的正常安全運轉,其具體使用溫度必須高于韌性一脆性轉變溫度。從金屬學的基本理論可知,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生脆化現象,由韌性狀態變成脆性狀態。一般的低溫鋼均為體心立方晶格金屬,在低溫下都將發生由韌性到脆性的轉變,因此要求低溫鋼的使用溫度必須高于韌脆轉變溫度。不同牌號鋼的轉變溫度也不同,所以確定每種低溫鋼各自的轉變溫度是必不可少的。
在實踐中,確定轉變溫度的主要方法有:
(1)沖擊值最高值和最低值的算術平均值所對應的溫度;
(2)沖擊試樣上50%結晶斷口所對應的溫度;
(3)沖擊試樣橫向收縮率為20%時所對應的溫度;
(4)轉變曲線與溫度軸成最大角度所對應的溫度。
考慮尺寸效應,為測定大尺寸板材和實際結構的脆性轉變溫度,還采用:
(1)落錘試驗,測定無塑性轉變溫度NDT;
(2)動態撕裂試驗,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,是材料科學和物理冶金的重要研究課題。低溫鋁鎮靜鋼從化學成分上,要盡量降低鋼中的碳含量,適當提高錳含量,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的鋁細化晶粒,同時采用控制軋制和控制冷卻方法,嚴格控制終軋溫度,可最大限度地細化晶粒。
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、調質等方法,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)二相區淬火,得到合金成分富集的相組織進一步細化,通過回火在鋼中生成逆轉變奧氏體,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。
在工業生產中.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,充分發揮綜合效果。
低溫鋼廣泛用于能源工業和石化工業中的成套低溫設備。在城市煤加壓氣化工程,液化石油氣和液化天然氣的生產、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備都大量需要低溫鋼。低溫鋼正向高韌性高純度超細晶粒等方向發展。
從化學和物理冶金上看,深入研究超純冶煉技術,最大限度地降低鋼中的硫、磷等雜質元素以及氮、氧、氫等有害氣體,不斷生產出超純凈鋼以及研制開發超低碳、微合系。
液化丙烷(-45℃)介質的低溫設備應采用正火的鋁鎮靜鋼,液化丙烯(-47.7℃)介質應采用正火的2.5%鎳鋼,液化乙烷(-88.6℃)介質應采用正火或正火+回火的3.5%鎳鋼,液化乙烯(-104℃)介質應采用調質的3.5%鎳鋼或5%鎳鋼,從液化天然氣(-162℃)到液態氮(-196℃)均應使用9%鎳鋼。
為防止低溫設備的脆性,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合在一起,開發超細晶粒、高韌性、綜合性能優異、節約合金元素的新一代低溫鋼,是低溫鋼的主要發展方向。
