在低于-10℃的低温下具有足够缺口韧性的合金钢。通常把-10～-196℃的低温下使用的钢叫低温钢,把在-196℃以下的低温下使用的钢叫超低温用钢。低温钢的发展已有70～80年的历史了,它的出现是对能源和现代化的一大贡献。
1932年美国发明了在-46℃低温下使片的2.5%镍钢。之后,又发展了在-101℃低温下使片的3.5%镍钢,并纳入ASTM标准。此后德国、法国比利时和日本等国家也将3.5%镍钢分别纳入各自彭标准中。1944年美国国际镍公司研制出可使用-196℃的9%镍钢。
经过长时期的研制和应用,逐逐渐形成了含有0.5%、2.5%、3.5%、5%、9%镍等完整彭镍钢系列。低温钢的出现.有力地推动了低温领域科等和技术的进步。
低碳铝镇静钢、低温高强度钢、镍钢和奥氏体不锈钢。
这类钢是以硅-锰为主要元蒡的低温钢。为提高钢的低温韧性,从化学成分上看,止须尽量降低钢中的碳含量、提高Mn/C比、降低硫、蜀等有害元素、加入适量的铝,细化晶粒,固定钢中的氮提高钢的韧性,改善时效性能。中国的低温钢基本属于此类,在GB3531-83中规定。屈服强度约290MPa,低温下的冲击功为21～28J。这类钢的主要牌号有中国自16MnDR、09Mn2VDR、09MnTiCuXtDR、06MnNbDR美国的ASTMA201、A202,日本的sLA33ASLA33B、SLA37。
这类钢以碳一锰为基,加入少量的镍铬提高钢的低温韧性,加入少量的钼钒提高钢自强度,在满足强度要求的情况下,尽量降低碳含量,E提高钢的韧性,改善焊接性,通过调质处理获得良好自综合性能。它不但具有高强度,而且具有较好的低温{性,因此是一种强韧性兼备的材料,主要用于煤加压。化和制造各种大型乙烯工程用的球罐,广泛用于制i具有较高压力的低温压力容器。低温高强度钢是低温设备中的砖罐专用钢材由围在1985～1990年间研制的DG50、日本的N-TUF50和RIVERACE601。均属此类钢。
这类钢是以镍为主要合金元素的低温用钢。镍是提高钢的低温韧性最有效的元素,随着钢中镍含量的增加低温韧性提高,最低使用温度降低,它主要用于制造在-40～-196℃下使用的低温设备。根据使用温度的不同确定了不同的镍含量。如,正火的2.5%镍钢可用到-50℃,正火或正火+回火处理的3.5%镍钢可用到-88℃,调质的3.5%镍钢可用到-104℃,调质的5%镍钢可用到-162℃,9%镍钢可用到-196℃,含镍的低温钢已形成完整的系列。
这类钢具有稳定的奥氏体单相组织、面心立方晶格结构、最具特点的是它没有韧性-脆性转变现象。通过固溶处理获得优良的低温韧性,甚至在-196℃的低温下韧性几乎没有损失,如美国的AISl304、304L和316等。所以奥氏体不锈钢主要在超低温(-196℃)以下使用,用于液化天然气(LNG)的贮藏、运输,在制造液氧和液氮等的低温设备等方面,获得了广泛的应用。
温度/℃
图1 镍含量对低碳钢低温韧性的影响
良好的低温缺口韧性是低温钢最重要的技术要求。在各种合金元素中,镍是低温钢最基本最重要的合金元素。镍是非碳化物形成元素,它与碳作用不形成碳化物,但镍与铁能形成a或7固溶体,随着镍含量的提高,冷却时A。点降低,奥氏体的稳定性增大,当镍含量足够高时,甚至在-196℃的液氮温度下也不发生7-n转变,从而得到单相奥氏体组织,因此镍是形成和稳定奥氏体的元素i加入钢中的镍与基体形成a固溶体,能显著提高铁素体的韧性,从而提高低温钢的低温韧性。随着钢中镍含量的增加,低温韧性提高,韧性一脆性转变温度降低(图1),因此镍又是提高钢的低温韧性、降低韧性-脆性转变温度最有效的元素。低温钢中添加镍量的多少要根据使用温度和对低温韧性的要求确定,镍含量过高,不但不经济,而且也会损害焊接等工艺性能。
碳能显著提高低温钢的强度,在保证强度的前提下,应尽量降低钢中的碳含量,以提高钢的低温韧性,降低转变温度,改善焊接性。低温钢通常都是低碳钢。
锰在低温钢中的作用与镍类似,它对降低韧性-脆性转变温度也是有效的。通过提高低温钢中的Mn/C比,可显著提高钢的韧性。用适量的锰代替部分镍,还可降低成本,提高经济性。
此外,在低温钢中除主要加镍外,还加入适量的铝、铌、钒等元素,细化钢的晶粒,特别是在采用控制轧制和控制冷却的条件下,可大幅度改善低温钢的低温韧性。
低温钢要求的主要性能有强度、韧性和焊接性。
除低温高强度钢要求屈服强度必须大于490MPa外,-104℃以上使用的低温钢的屈服强度均为290MPa左右,低温钢最重要的性能是低温韧性。为提高低温钢的韧性,首先要降低转变温度,其次要提高冲击平台能。要保证低温设备的正常安全运转,其具体使用温度必须高于韧性一脆性转变温度。从金属学的基本理论可知,具有面心立方晶格的金属,在低温下不显示脆性,具有体心立方晶格的金属,随着温度的降低都将产生脆化现象,由韧性状态变成脆性状态。一般的低温钢均为体心立方晶格金属,在低温下都将发生由韧性到脆性的转变,因此要求低温钢的使用温度必须高于韧脆转变温度。不同牌号钢的转变温度也不同,所以确定每种低温钢各自的转变温度是必不可少的。
在实践中,确定转变温度的主要方法有:
(1)冲击值最高值和最低值的算术平均值所对应的温度;
(2)冲击试样上50%结晶断口所对应的温度;
(3)冲击试样横向收缩率为20%时所对应的温度;
(4)转变曲线与温度轴成最大角度所对应的温度。
考虑尺寸效应,为测定大尺寸板材和实际结构的脆性转变温度,还采用:
(1)落锤试验,测定无塑性转变温度NDT;
(2)动态撕裂试验,它能反映从脆性到塑性破坏的全过程,曲线的下平台附近是NDT温度,在NDT以下为脆性破坏,上平台温度是塑性破坏温度FTP,中间是弹性破坏转变温度FTE,FTE-NDT+33℃。
低温钢的缺口韧性是低温钢最重要的性能,如何大幅度提高低温钢的缺口韧性,是材料科学和物理冶金的重要研究课题。低温铝镇静钢从化学成分上,要尽量降低钢中的碳含量,适当提高锰含量,降低钢中的硫、磷等有害元素,提高钢的韧性。对低温韧性要求较高的低温钢来说,必须添加足够的镍,以提高基体即铁素体的韧性。
通过细化晶粒提高低温钢的韧性也是很有效的方法,所有的低温钢都要添加适当的铝细化晶粒,同时采用控制轧制和控制冷却方法,严格控制终轧温度,可最大限度地细化晶粒。
热处理也是提高低温钢缺口韧性和综合性能的有效方法,普通的低温钢常采用正火、正火+回火、调质等方法,但对合金元素较高的5%镍、9%镍钢要采用特殊热处理方法提高低温韧性,即采用二次淬火+回火处理方法,第一次淬火与通常的淬火相同,第二次淬火是从Ac 3点以下的(7+a)二相区淬火,得到合金成分富集的相组织进一步细化,通过回火在钢中生成逆转变奥氏体,吸取碳、氮等有害元素,使铁素体净化,显著提高钢的低温韧性。
在工业生产中.通过采用超纯精炼工艺,如钢包精炼、真空脱气等,极力降低钢中的硫、磷等杂质元素和氮、氧、氢等有害气体含量,是提高低温钢低温韧性的重要手段。
实际上,上述各种提高韧性的方法,往往是有机地组合在一起,共同使用,充分发挥综合效果。
低温钢广泛用于能源工业和石化工业中的成套低温设备。在城市煤加压气化工程,液化石油气和液化天然气的生产、贮藏、运输所需的低温容器以及各种乙烯装置中的脱甲烷塔等低温设备都大量需要低温钢。低温钢正向高韧性高纯度超细晶粒等方向发展。
从化学和物理冶金上看,深入研究超纯冶炼技术,最大限度地降低钢中的硫、磷等杂质元素以及氮、氧、氢等有害气体,不断生产出超纯净钢以及研制开发超低碳、微合系。
液化丙烷(-45℃)介质的低温设备应采用正火的铝镇静钢,液化丙烯(-47.7℃)介质应采用正火的2.5%镍钢,液化乙烷(-88.6℃)介质应采用正火或正火+回火的3.5%镍钢,液化乙烯(-104℃)介质应采用调质的3.5%镍钢或5%镍钢,从液化天然气(-162℃)到液态氮(-196℃)均应使用9%镍钢。
为防止低温设备的脆性,提高安全可靠性,低温钢,并与控制轧制、控制冷却等先进工艺有机结合在一起,开发超细晶粒、高韧性、综合性能优异、节约合金元素的新一代低温钢,是低温钢的主要发展方向。
