金屬材料在低溫環(huán)境下使用時,除了應(yīng)具有令人滿意的力學(xué)(機械)性能外,如屈服強度和抗拉張強度,還必須具備一些特殊的性能,如低溫性能。


  在低溫環(huán)境下工作的金屬材料主要危險是脆斷性破壞,這種脆斷性破壞會使復(fù)雜的工程結(jié)構(gòu)和設(shè)備造成災(zāi)難性的破壞。一般來講,金屬材料在斷裂前都會顯示拉長、松弛、凸脹或其他塑性斷裂跡象。但在某些情況下,普通延性金屬會在很低的應(yīng)力作用下突然斷裂,而在塑性變形前沒有顯示任何跡象。這種脆斷性破壞通常在低溫下發(fā)生。


  為解決低溫下金屬材料脆斷問題,在結(jié)構(gòu)和設(shè)備的設(shè)計時,要使應(yīng)力集中降低到最小程度,并在試驗和使用經(jīng)驗的基礎(chǔ)上采用在低溫環(huán)境下具有良好韌性的材料。


  許多鋼種都具有良好的低溫特性。但適用于液化氣體如天然氣、氮、氧、氫和氦的處理,儲存和運輸?shù)匿摲N卻很少。這些液化氣體在約-66℃的低溫時發(fā)生氣化。奧氏體不銹鋼具有良好的低溫韌性是最適用于低溫環(huán)境中的鋼種。


  在用于低溫環(huán)境上的設(shè)備的設(shè)計中,材料的低溫韌性雖然極其重要,但也應(yīng)考慮到材料的其他重要性能。例如,決定設(shè)備壁厚的抗拉性能。在溫度變化很劇烈(低溫至室溫)的環(huán)境中,材料的熱脹性能就顯得很重要,因為劇烈熱脹將對設(shè)備部件產(chǎn)生很大的應(yīng)力。此外,由于低溫較難保持,因此,在低溫下使用的設(shè)備的導(dǎo)熱率和比熱也是很重要的。下面將討論低溫對奧氏體的影響。


  首先討論低溫對奧氏體不銹鋼的抗拉性能的影響。表4-9是四種在低溫下使用的奧氏體不銹鋼(06Cr19Ni10、022Cr19Ni10、20Cr25Ni20和06Cr18Ni11Nb)在室溫、-178℃、-237℃時抗拉特性。從表4-9中可以看出,奧氏體鋼在低溫下仍能保持良好的延展性(延伸率和斷面收縮率)。同時也可以看出,這些鋼的屈服強度和抗拉強度隨溫度的升高而增大,而且抗拉強度的增大速度比溫度升高的速度快。只有20Cr25Ni20(310)鋼是一個例外,屈服強度的增大和抗拉強度的增大幾乎是一樣,這種特性可能是由于20Cr25Ni20(310)鋼的含碳量高于其他三個鋼種的緣故。碳等間隙元素對合金在低溫下的屈服強度有顯著影響。


9.jpg


  從奧氏體不銹鋼的良好延展性可以預(yù)料這類鋼在低溫也將具有良好的韌性。表4-10所列出的是 06Cr19Ni10(304)、022Cr19Ni10(304L)、20Cr25Ni20(310)和06Cr18Nil1Nb(347)鋼在室溫、-196℃以及-218℃所做的沖擊韌性試驗結(jié)果。隨著溫度從室溫下降到-196℃,這四種鋼的韌性稍有降低,但在進一步降低到-218℃的過程中,韌性大致保持恒定。表4-10可以看出,這四種鋼在-218℃都有良好的韌性,同時也可以看出,06Cr19Ni10(304)和 20Cr25Ni20(310)鋼的韌性稍高于022Cr19Ni10(304L)和06Cr18Nil1Nb(347)鋼。這為低溫不銹鋼的選用,提供了試驗依據(jù)。


表4-10 幾種常用奧氏體不銹鋼的橫向沖擊韌性


10.jpg


  表4-11是06Cr19Ni10(304)奧氏體不銹鋼放置在-196℃溫度下一年后的鑰匙形缺口沖擊韌性試驗結(jié)果。從試驗結(jié)果可以看出,304鋼沖擊韌性值很穩(wěn)定,在-196℃溫度下長期放置,其韌性并沒有發(fā)生顯著下降。


  表4-11 06Cr19Ni10(304)不銹鋼在-196℃長期放置后在該溫度下的鑰匙形缺口沖擊韌性值


11.jpg


 表4-12是用這四種鋼制成的不同厚度的板材在-196℃和-218℃時的沖擊韌性值。從表4-12中的沖擊韌性值可以看出,板厚對奧氏體不銹鋼板的沖擊韌性沒有顯著的影響。


  表4-12幾種常用退火后奧氏體不銹鋼的低溫沖擊韌性


12.jpg