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(duì)能源和現(xiàn)代化的一大貢獻(xiàn)。1932年美國(guó)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(guó)、法國(guó)比利時(shí)和日本等國(guó)家也將3.5％鎳鋼分別納入各自彭標(biāo)準(zhǔn)中。1944年美國(guó)國(guó)際鎳公司研制出可使用-196℃的9％鎳鋼。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)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(dòng)了低溫領(lǐng)域科等和技術(shù)的進(jìn)步。
分類(lèi)低溫鋼大致可分為4類(lèi)：低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼、低溫高強(qiáng)度鋼、鎳鋼和奧氏體不銹鋼。
(1)低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼。這類(lèi)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M(jìn)n/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(shí)效性能。中國(guó)的低溫鋼基本屬于此類(lèi)，在GB3531-83中規(guī)定。屈服強(qiáng)度約290MPa，低溫下的沖擊功為21～28J。這類(lèi)鋼的主要牌號(hào)有中國(guó)自16MnDR、09Mn2VDR、09MnTiCuXtDR、06MnNbDR美國(guó)的ASTMA201、A202，日本的sLA33ASLA33B、SLA37。
(2)低溫高強(qiáng)度鋼。這類(lèi)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(qiáng)度，在滿足強(qiáng)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(guò)調(diào)質(zhì)處理獲得良好自綜合性能。它不但具有高強(qiáng)度，而且具有較好的低溫{性，因此是一種強(qiáng)韌性兼?zhèn)涞牟牧希饕糜诿杭訅骸；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(qiáng)度鋼是低溫設(shè)備中的磚罐專(zhuān)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(lèi)鋼。
(3)鎳系低溫鋼。這類(lèi)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。
(4)奧氏體不銹鋼。這類(lèi)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(diǎn)的是它沒(méi)有韌性-脆性轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。通過(guò)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(méi)有損失，如美國(guó)的AISl304、304L和316等。所以?shī)W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(yùn)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(duì)低碳鋼低溫韌性的影響
合金元素的作用 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(shí)A。點(diǎn)降低，奧氏體的穩(wěn)定性增大，當(dāng)鎳含量足夠高時(shí)，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(duì)低溫韌性的要求確定，鎳含量過(guò)高，不但不經(jīng)濟(jì)，而且也會(huì)損害焊接等工藝性能。
碳能顯著提高低溫鋼的強(qiáng)度，在保證強(qiáng)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(lèi)似，它對(duì)降低韌性-脆性轉(zhuǎn)變溫度也是有效的。通過(guò)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(jì)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。
性能低溫鋼要求的主要性能有強(qiáng)度、韌性和焊接性。除低溫高強(qiáng)度鋼要求屈服強(qiáng)度必須大于490MPa外，-104℃以上使用的低溫鋼的屈服強(qiáng)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(tái)能。要保證低溫設(shè)備的正常安全運(yùn)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(hào)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(shí)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(duì)應(yīng)的溫度；(2)沖擊試樣上50％結(jié)晶斷口所對(duì)應(yīng)的溫度；(3)沖擊試樣橫向收縮率為20％時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度；(4)轉(zhuǎn)變曲線與溫度軸成最大角度所對(duì)應(yīng)的溫度。考慮%26ldquo;尺寸效應(yīng)%26rdquo;，為測(cè)定大尺寸板材和實(shí)際結(jié)構(gòu)的脆性轉(zhuǎn)變溫度，還采用：(1)落錘試驗(yàn)，測(cè)定無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度NDT；(2)動(dòng)態(tài)撕裂試驗(yàn)，它能反映從脆性到塑性破壞的全過(guò)程，曲線的下平臺(tái)附近是NDT溫度，在NDT以下為脆性破壞，上平臺(tái)溫度是塑性破壞溫度FTP，中間是彈性破壞轉(zhuǎn)變溫度FTE，F(xiàn)TE-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(duì)低溫韌性要求較高的低溫鋼來(lái)說(shuō)，必須添加足夠的鎳，以提高基體即鐵素體的韌性。通過(guò)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(shí)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(duì)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(diǎn)以下的(7+a)二相區(qū)淬火，得到合金成分富集的相組織進(jìn)一步細(xì)化，通過(guò)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(guò)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(shí)際上，上述各種提高韌性的方法，往往是有機(jī)地組合在一起，共同使用，充分發(fā)揮綜合效果。
應(yīng)用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(yùn)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(kāi)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。
展望 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(jìn)工藝有機(jī)結(jié)合在一起，開(kāi)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。
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