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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。

低應(yīng)力脆性斷裂現(xiàn)象

自從19 世紀(jì)末以來(lái)，在嚴(yán)寒地帶的鐵軌、橋梁和結(jié)構(gòu)件曾發(fā)生一系列低溫脆性斷裂事故，由于當(dāng)時(shí)科學(xué)技術(shù)的限制，鋼材的冷脆問(wèn)題研究未取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展， 20 世紀(jì)40 年代以來(lái)，許多船舶、壓力容器、管道、化工設(shè)備及大型結(jié)構(gòu)，特別是一些焊接結(jié)構(gòu)，多次發(fā)生低應(yīng)力脆斷，造成了巨大的損失。因此，低應(yīng)力脆斷就成為人們非常關(guān)注的課題，通過(guò)大量事故的調(diào)查分析，可以總結(jié)出低應(yīng)力脆斷具有下列特點(diǎn)。

①斷裂時(shí)容器的工作壓力比較低，其斷裂名義應(yīng)力低于材料的屈服強(qiáng)度，在斷裂之前沒(méi)有或者只有局部極小的塑性變形。

②裂紋擴(kuò)展速率大。

③低應(yīng)力脆斷多屬解理斷裂或準(zhǔn)解理斷裂，斷口具有晶粒狀的特點(diǎn)，光亮而平滑。

④ 低應(yīng)力脆斷往往發(fā)生在有缺口或裂紋的容器上，并以筒體自身存在的各種工藝缺損及雜質(zhì)作為裂紋源。

⑤斷裂一般發(fā)生在較低溫度下，此時(shí)材料的韌性很差。

從上述低應(yīng)力脆性斷裂的特點(diǎn)結(jié)合斷裂力學(xué)原理，對(duì)金屬斷裂機(jī)理進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)金屬的低溫韌性，即缺口尖端處的金屬微觀塑性變形能力決定壓力容器抵抗應(yīng)力脆斷破壞的能力。

影晌低溫韌性的因素

（1）晶體結(jié)構(gòu)的影響

試驗(yàn)表明，具有體心立方總陣（bcc）結(jié)構(gòu)的鐵素體鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度較高，脆性斷裂傾向較大，密排六方結(jié)構(gòu)（hcp）次之，面心立方結(jié)構(gòu)（fcc） 的金屬如銅、鋁、鎳和奧氏體類鋼則基本上沒(méi)有這種溫度效應(yīng)，即沒(méi)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(kāi)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(méi)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(méi)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0.2T0（T0為金屬的熔點(diǎn)，單位為K） 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(guò)0.2 % ，近年來(lái)國(guó)外有一種發(fā)展和應(yīng)用低碳（ < 0.15 %）或微碳（<0 . 06%） 鋼的明顯趨勢(shì)。

錳元素是擴(kuò)大奧氏體區(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(wú)延性轉(zhuǎn)變溫度，降低碳含量，提高錳碳比，其無(wú)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。

在含錳的鐵素體類低溫用鋼材中，添加少量V 、Ti 、Nb 、Al 等含金元素，通過(guò)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抵抗脆斷能力，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)生晶界偏析，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)于沸騰鋼；若用Si + AI 、AI + Ti （V 、Nb） 綜合脫氧，可進(jìn)一步細(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。

試驗(yàn)表明，極純金屬的低溫脆性與晶粒類型無(wú)關(guān)。例如不含碳、氮、氧、硼的純鐵，即使在4K 的低溫也是可塑的。而雜質(zhì)（特別是晶界脆性相）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)質(zhì)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(guò)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(guò)鋼材的回火溫度。

熱處理還有抑制脆性相從晶界析出，改變析出相的形態(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（回火馬氏體）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)效更使低溫韌性惡化，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^(guò)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。

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