低温钢及其低温韧性研究现状

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摘要：摘要：介绍了低温钢国内外发展状况及应用中易出现的安全问题，阐述了韧性断裂与脆性断裂的区别、韧脆转变及低温脆性断裂机理，重点从工艺角度、显微组织、力学方法、电子背散射衍射分析技术和小冲杆试验等不同角度综述评定低温钢低温韧性的关键技术，并阐述

　　摘要：介绍了低温钢国内外发展状况及应用中易出现的安全问题，阐述了韧性断裂与脆性断裂的区别、韧脆转变及低温脆性断裂机理，重点从工艺角度、显微组织、力学方法、电子背散射衍射分析技术和小冲杆试验等不同角度综述评定低温钢低温韧性的关键技术，并阐述了低温钢焊接需注意的问题。

　　关键词：低温钢;低温韧性;低温钢焊接

　　0 前言

　　近几十年来，随着压力容器的大型化、厚截面压力容器的增多，以及化工、石油工业中低温压力容器的使用，低温钢用量大大增加，使低温脆断事故时有发生，引起世界各国低温学者的关注。研究低温下的断裂行为及脆断机理，对于指导低温压力容器的安全设计及实际生产具有重要的指导意义。

　　通过大量事故调查分析得出低应力脆断的特点有：(1)低温脆断多属于解理断裂或准解理断裂，断口光亮而平滑;(2)断裂通常出现在低温下，此时材料韧性较差;(3)断裂时构件处于低载荷工作状态，断裂应力并未超出材料的屈服强度，断裂很少发生塑性变形;(4)低应力脆断常发生在有缺口或裂纹的部位;(5)断裂时裂纹呈现出较快的扩展速率。

　　1 低温钢及其应用介绍

　　目前，各国应用的低温钢大体可分为两大部分：一是服役在高于-40 ℃(或-45 ℃)的铝镇静C-Mn钢和调质型高强度钢;二是在低于-40 ℃(或-45 ℃)至-196 ℃使用的含Ni系列低温钢(包含用于-70～

　　-60 ℃含0.5%～2.3%Ni的钢;用于-100 ℃含3.5%Ni的钢;用于-196～-120℃含5.5%～9%Ni的钢)[1-3]。

　　欧洲通用的低温钢有11MnNi5-3、A-286、13MnNi6-3、15NiMn6、12Ni14、X12Ni5、X8Ni9、X7Ni9、Inconel7l8、InconelX-750，用于高强度的低温设备建造[4]。2.3%Ni钢是美、日等一些发达国家-70 ℃服役环境下的首选钢种;0.5%Ni钢是欧洲一些国家在-70～-60 ℃工作环境下应用的主要钢材[5]。美国及欧洲国家已将3.5%Ni钢和5%Ni钢进行了全面推广，对应指标均达到相应规定。1944年美国国际镍公司的产品研究实验室研发Ni含量为9%的中合金钢，最低应用温度可达-196 ℃[6]。

　　我国研发了从-40 ℃到-253 ℃的无镍低温用钢：如-70 ℃用09MnTiCuRe、09Mn2V;-90 ℃用的06MnNb;-120 ℃用的06AlNbCuN、06AlCu等，但由于种种原因，这些低温钢并未获得推广应用[7]。前几十年国内化工、能源等行业缺少能服役于-70～-40 ℃环境的低温用钢，一般采取进口的形式来弥补。为此国内钢厂着手研发了-70 ℃级09MnNiDR钢，与3.5Ni，9Ni钢相比，其Ni含量大大下降，材料成本明显降低。

　　有资料表明，采矿业、建筑施工和运输等行业用的仪器和设备随着工作温度的降低(由20 ℃降至-60 ℃)，机器零件产生裂纹的几率明显增加。低温脆断现象在一些管道、压力容器、化工设备、船舶、以及大型焊接结构中频繁发生，经济损失惨重[8]。经调查分析发现，低温脆断多属于解理断裂或准解理断裂，断裂时构件处于低载荷工作状态，断裂应力并未超出材料的屈服强度，且裂纹的扩展速率较快。由此可见，作为低温钢，很重要的一个技术指标就是抗低温脆断性能。

　　2 低温断裂机理

　　2.1 韧断与脆断

　　研究证实，脆性斷裂与韧性断裂是相对的，在发生脆性断裂时也会出现一定的塑性变形，韧断与脆断的主要特点是[9]：

　　(1)韧性断裂是构件经过大量变形后发生的断裂。主要条件是超过工作压力，主要特征是发生了明显的宏观塑性变形(不包括压缩失稳)，且产生延性断裂。断口一般能见纤维区和剪唇区。形成纤维区断口的断裂机制一般是“微孔聚合”，在电子显微镜中呈韧窝状花样。剪切唇总是在断口边缘，并与构件表面约成45°夹角，是在平面应力受力条件下发生剪切撕裂而形成的断口，剪切唇表面较光滑，断裂时的名义应力高于材料的屈服强度。

　　(2)脆性断裂是构件未经明显的变形而发生的断裂。断裂时材料几乎未发生过塑性变形，其脆性是引起构件脆断的重要原因。材料内部在冶炼、轧制、热处理等各种制造过程中不可避免地产生某种微裂纹，在无损探伤检验时又未被发现。那么在使用过程中，由于应力集中、疲劳、腐蚀等原因，裂纹会进一步扩展。当裂纹尺寸达到临界尺寸时，就会发生低应力脆断的事故。

　　通常情况下，滑移变形的撕裂会出现韧窝，所消耗的能量也会更大。而解理断裂一般为脆性，断裂能量被转化为表面能。因此，当发生了撕裂、微孔聚集，以及准解理变成解理，会呈现出明显的韧脆转变。

　　2.2 韧脆转变

　　分析脆断事故可知，温度对金属结构性能的转变的影响较大，大部分断裂事故发生时都处于低温状态。对于低温钢而言，低温断裂存在一定的温度界限(通常称为韧-脆转变温度)，此温度以下断裂具有脆性断裂特征，而此温度以上断裂属于韧性断裂，脆性断裂和韧性断裂的表现形式不同，但是断裂的决定因素都是裂纹扩展的力。

　　通过作用于金属材料上的力，在材料内部产生位错，并使位错产生滑移，引发屈服，直至临界状态，裂纹萌生，扩展至断裂。

　　2.3 低温脆性转变机理

　　由于低温脆性严重影响材料的正常使用，因此低温脆性转变机理也成为材料学研究中的热点，相关理论相当丰富[10-14]，如表1所示。不过正是由于观点众多，未能达成一致，还需进行进一步探讨。

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