影響低溫容器用鋼低溫韌性的因素有哪些

影響低溫容器用鋼低溫韌性的因素有哪些

 

低溫容器鋼板

低溫壓力容器的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是選材，并相應(yīng)地在制造、結(jié)構(gòu)上加以某些限制。

低溫壓力容器受壓元件所采用的鋼材必須是鎮(zhèn)靜鋼。材料的許用應(yīng)力取常溫20°℃的數(shù)值，強(qiáng)度計(jì)算方法按GB 150.3的規(guī)定。(1)晶體結(jié)構(gòu)的影響

試臉表明，具有體心立方總陣bc結(jié)構(gòu)的鐵素體鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度救高，脆性斷裂傾向較大，密排六方結(jié)構(gòu)tcp)次之，面心立方結(jié)構(gòu)(fic)的金屆如銅、鋁、鎳和奧氏林類鋼則基本上沒有這種溫度效應(yīng)，即沒有低應(yīng)力脆斷。

事實(shí)上除非存在第二相或處于導(dǎo)致產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂的環(huán)境下，面心立方金屬一般不發(fā)生脆性斷裂，其主要原因是當(dāng)溫度降低時(shí)，面心立方金屬的屈服強(qiáng)度沒有顯著變化，而且不易產(chǎn)生形變孿晶，位錯(cuò)容易運(yùn)動(dòng)，局部應(yīng)力易于松弛，裂紋不易傳播，一般沒有脆性轉(zhuǎn)變溫度。

但是體心立方金屬則不同，在中溫區(qū)域，其強(qiáng)度(特別是屈服強(qiáng)度)受雜質(zhì)、載荷速度和合金元素的影響非常明顯，而在0.27O(T0為金屬的將點(diǎn)，單位為()以下的低溫區(qū)域內(nèi)隨溫度的降低，其屈服強(qiáng)度增加很快，最后幾乎與抗拉強(qiáng)度相等，尤其是在低溫下容易產(chǎn)生形變孿晶，故易引起低應(yīng)力脆性斷裂。

(2)化學(xué)成分的影響

對(duì)低溫壓力容器用鋼而言，增加含碳量，將增大材樣料的脆性，使脆性轉(zhuǎn)變溫度急劇上升，所以低溫用鋼的含碳量不超過0.2%，近年來國外有一種發(fā)展和應(yīng)用低聯(lián)(<0.15%或微碳(<0.06%)鋼的明顯趨勢(shì)。

錳元素是擴(kuò)大奧兵體區(qū)的元素，含錳量增加能使鋼材得到細(xì)致而富有韌性的鐵素體和珠光體晶粒，因而可改善鋼材在低溫下的韌性。含碳量一定時(shí)，提高錳比值可以得到較低的無延性轉(zhuǎn)變溫度，降低碳含量，提高錳碳比，其無延性轉(zhuǎn)變溫度降低，鋼板的允許使用溫度降低。

鎳也是提高鋼材低溫韌性的重要元素，甚至更優(yōu)于錳，當(dāng)含鎳3.5%時(shí)，可以使鋼在-100℃仍保持很高的韌性，而含鎳9%的鋼可用作液氮容器，耐-196℃的低溫。

在話的鐵素體類低溫用鋼材中，添加少量V、Ti、Nb、A等含金元素，通過軋制或隨后的熱處理，使碳化物、氮化物彌散析出進(jìn)行沉淀強(qiáng)化，從而獲得較高的強(qiáng)度和良好的低溫韌性.(3)晶粒度的影響

晶粒尺寸是影響鋼的低應(yīng)力脆斷的重要因素，細(xì)晶粒不僅使金屬有較高的斷裂強(qiáng)度，而且使脆性轉(zhuǎn)變溫度降低，這是由于晶界存在雜質(zhì)和脆性相，往往是裂紋源。

晶粒細(xì)化，一方面使單位面積上脆性相相對(duì)減少，表面能提高，裂紋形核和擴(kuò)展的概率降低，從而提高了鋼的低溫祗抗脆斷能力，另一方面細(xì)晶粒鋼性能比較均勻，降低了脆性轉(zhuǎn)變溫度。(4)夾雜物的影響

磷易產(chǎn)生晶界嗅忻，鋼中的氧以各種氧化物的形式在晶界析出，兩者都極大地提高了鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度，導(dǎo)致低應(yīng)力脆斷，因此低溫用鋼必須充分脫氧。例如鎮(zhèn)靜鋼的低溫韌性優(yōu)于佛騰鋼;若用Si + AI 、Al + Ti(V、Nb)綜合脫氧，可進(jìn)—步細(xì)化晶粒，其低溫韌性更好。

充分脫氧不僅能有效地降低氧、硫、磷及其他氣體含量，而且還使夾雜物球化，減少位錯(cuò)的塞積，從而降低鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度。

試險(xiǎn)表明，極純?nèi)珜俚牡突旃蛐耘c晶位類型天關(guān)。例如不含碳、氮、氧、確的純鐵，即使在4K的低溫也是可塑的。而雜質(zhì)(特別是晶界臆性相)對(duì)低應(yīng)力脆斷影響很大，如25 %Cr的Fe- Cr合金中微量的碳、氧、氮是促進(jìn)低應(yīng)力脆斷的重要原因。

(5)熱處理和扭微組織的影響

熱處理對(duì)鋼的低應(yīng)力脆斷有很大影響。調(diào)武處理是獲得鐵素體和粒狀碳化物組織的常用方法，可以明顯改善鋼材的低溫韌性，但隨著調(diào)質(zhì)處理回火溫度的上升，粒狀碳化物的聚集反而影響低溫韌性，所以應(yīng)嚴(yán)格控制調(diào)質(zhì)處理時(shí)的回火溫度不致過高。

正火是低溫用鋼采用最多的熱處理方法。鋼材中合金元素增多，則正火溫度應(yīng)相應(yīng)提高。而鋼的退火組織比正火組織粗大，其低溫韌性遠(yuǎn)比經(jīng)正火或調(diào)質(zhì)處理的差，所以，低溫壓力容器用鋼都不進(jìn)行退火處理。需進(jìn)行焊后熱處理的低溫壓力容器及其受壓元件，在任何情況下，焊后熱處理的溫度都不應(yīng)超過鋼材的回火溫度。

熱處理還有抑制脆性相從晶界聽出，改變行出相的形態(tài)、大小、數(shù)量、分布，均勻組織，改善鋼的強(qiáng)度和低溫韌性的作用。在回火組織(回火馬氏構(gòu))中有一定量的殘余奧氏體或鐵素體，可有效地阻止裂紋擴(kuò)展。淬火時(shí)效和應(yīng)變時(shí)效，都使鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度升高，增大低應(yīng)力脆斷的敏感性，因此對(duì)時(shí)效敏感的沸騰鋼不宜作低溫用鋼.

(6)冷變形的影響

冷變形使鋼的韌性降低，應(yīng)變時(shí)姣更使低溫韌性惡化，脆性轉(zhuǎn)變溫度升高，所以對(duì)于大型高壓容器，在使用時(shí)必須重視缺口韌性。因?yàn)樵谥谱鬟^程中，冷變、冷壓、焊接變形等，都會(huì)導(dǎo)致脆化，故冷變形及焊接后應(yīng)進(jìn)行低溫退火。

(7)應(yīng)力狀態(tài)的影響

低應(yīng)力脆斷與應(yīng)力狀態(tài)關(guān)系很大。當(dāng)容器存在裂紋或缺口時(shí)，容易產(chǎn)生低應(yīng)力脆斷。缺口愈尖銳。預(yù)裂紋尺寸愈大，愈容易引起低應(yīng)力脆斷。當(dāng)焊接接頭中有裂紋存在，又具有殘余應(yīng)力時(shí)，低應(yīng)力脆斷更為明顯。