低温压力容器影晌低温韧性的因素有哪些

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摘要:热处理对钢的低应力脆断有很大影响。调质处理是获得铁素体和粒状碳化物组织的常用方法,可以明显改善钢材的低温韧性。

1、晶体结构的影响
试验表明,具有体心立方总阵(bcc)结构的铁素体钢的脆性转变温度较高,脆性断裂倾向较大,密排六方结构(hcp)次之,面心立方结构(fcc) 的金属如铜、铝、镍和奥氏体类钢则基本上没有这种温度效应,即没有低应力脆断。
事实上除非存在第二相或处于导致产生应力腐蚀开裂的环境下,面心立方金属一般不发生脆性断裂,其主要原因是当温度降低时,面心立方金属的屈服强度没有显著变化,而且不易产生形变孪晶,位错容易运动,局部应力易于松弛,裂纹不易传播,一般没有脆性转变温度。
但是体心立方金属则不同,在中温区域,其强度(特别是屈服强度)受杂质、载荷速度和合金元素的影响非常明显,而在0.2T0(T0为金属的熔点,单位为K) 以下的低温区域内随温度的降低,其屈服强度增加很快,几乎与抗拉强度相等,尤其是在低温下容易产生形变孪晶,故易引起低应力脆性断裂。
2、热处理和扭微组织的影响
热处理对钢的低应力脆断有很大影响。调质处理是获得铁素体和粒状碳化物组织的常用方法,可以明显改善钢材的低温韧性。但随着调质处理回火温度的上升,粒状碳化物的聚集反而影响低温韧性,所以应严格控制调质处理时的回火温度不致过高。
正火是低温用钢采用多的热处理方法。钢材中合金元素增多,则正火温度应相应提高。而钢的退火组织比正火组织粗大,其低温韧性远比经正火或调质处理的差,所以,低温压力容器用钢都不进行退火处理。需进行焊后热处理的低温压力容器及其受压元件,在任何情况下,焊后热处理的温度都不应超过钢材的回火温度。
热处理还有抑制脆性相从晶界析出,改变析出相的形态、大小、数量、分布,均匀组织,改善钢的强度和低温韧性的作用。在回火组织(回火马氏体)中有一定量的残余奥氏体或铁素体,可有效地阻止裂纹扩展。淬火时效和应变时效,都使钢的脆性转变温度升高,增大低应力脆断的敏感性,因此对时效敏感的沸腾钢不宜作低温用钢。
3、冷变形的影响
冷变形使钢的韧性降低,应变时效更使低温韧性恶化,脆性转变温度升高,所以对于大型高压容器,在使用时必须重视缺口韧性。因为在制作过程中, 冷变、冷压、焊接变形等,都会导致脆化,故冷变形及焊接后应进行低温退火。
4、应力状态的影响
低应力脆断与应力状态关系很大。当容器存在裂纹或缺口时, 容易产生低应力脆断。缺口愈尖锐. 预裂纹尺寸愈大,愈容易引起低应力脆断。当焊接接头中有裂纹存在,又具有残余应力时,低应力脆断更为明显。
5、化学成分的影响
对低温压力容器用钢而言, 增加含碳量,将增大材料的脆性,使脆性转变温度急剧上升,所以低温用钢的含碳量不超过0.2 % ,近年来国外有一种发展和应用低碳( < 0.15 %)或微碳(<0 . 06%) 钢的明显趋势。
锰元素是扩大奥氏体区的元素,含锰量增加能使钢材得到细致而富有韧性的铁素体和珠光体晶粒,因而可改善钢材在低温下的韧性。含碳量一定时,提高锰比值可以得到较低的无延性转变温度,降低碳含量,提高锰碳比,其无延性转变温度降低,钢板的允许使用温度降低。
镍也是提高钢材低温韧性的重要元素,甚至更优于锰,当含镍3. 5% 时,可以使钢在-100℃仍保持很高的韧性,而含镍9 % 的钢可用作液氮容器,耐-196℃的低温。
在含锰的铁素体类低温用钢材中,添加少量V 、Ti 、Nb 、Al 等含金元素,通过轧制或随后的热处理,使碳化物、氮化物弥散析出进行沉淀强化,从而获得较高的强度和良好的低温韧性。
6、晶粒度的影响
晶粒尺寸是影响钢的低应力脆断的重要因素,细晶粒不仅使金属有较高的断裂强度,而且使脆性转变温度降低,这是由于晶界存在杂质和脆性相,往往是裂纹源。
晶粒细化,一方面使单位面积上脆性相相对减少,表面能提高,裂纹形核和扩展的概率降低,从而提高了钢的低温抵抗脆断能力,另一方面细晶粒钢性能比较均匀,降低了脆性转变温度。
7、夹杂物的影响
磷易产生晶界偏析,钢中的氧以各种氧化物的形式在晶界析出,两者都极大地提高了钢的脆性转变温度,导致低应力脆断,因此低温用钢必须充分脱氧。例如镇静钢的低温韧性优于沸腾钢;若用Si + AI 、AI + Ti (V 、Nb) 综合脱氧,可进一步细化晶粒,其低温韧性更好。
充分脱氧不仅能有效地降低氧、硫、磷及其他气体含量,而且还使夹杂物球化,减少位错的塞积,从而降低钢的脆性转变温度。
试验表明,极纯金属的低温脆性与晶粒类型无关。例如不含碳、氮、氧、硼的纯铁,即使在4K 的低温也是可塑的。而杂质(特别是晶界脆性相)对低应力脆断影响很大,如25 %Cr 的Fe- Cr 合金中微量的碳、氧、氮是促进低应力脆断的重要原因。

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