低溫壓力容器用奧氏體不銹鋼的材料進(jìn)展

李興軍

摘 要：奧氏體不銹鋼壓力容器大多用于耐腐蝕，主要要求耐蝕性，低溫應(yīng)用時(shí)基本上不能進(jìn)行腐蝕的化學(xué)反應(yīng)和電化學(xué)反應(yīng)，因而低溫應(yīng)用時(shí)不必考慮耐蝕性。

關(guān)鍵詞：低溫壓力容器；奧氏體不銹鋼；進(jìn)展

中圖分類號(hào)：TH49 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

壓力容器用不銹鋼中90%以上為鉻鎳奧氏體不銹鋼，雙相不銹鋼只占百分之幾，很少用鐵素體不銹鋼，馬氏體不銹鋼只用作螺栓等非焊件。奧氏體不銹鋼具有優(yōu)良的低溫韌性，常用于超低溫壓力容器，最低可在-273℃時(shí)應(yīng)用。

1 低溫壓力容器用奧氏體不銹鋼

ASME-2011aUHA-51中規(guī)定，304、304L、316、316L、321、347以及C≤0.10%的奧氏體不銹鋼及其焊接熱影響區(qū)當(dāng)用于≥-196℃時(shí)可免檢沖擊試驗(yàn)。GB150焊接中也規(guī)定≥-196℃應(yīng)用的奧氏體不銹鋼可免做沖擊試驗(yàn)，沒有規(guī)定具體牌號(hào)，當(dāng)然所用牌號(hào)就在GB150-2011所采用的奧氏體不銹鋼牌號(hào)范圍之內(nèi)。實(shí)際上GB150-2011中將設(shè)計(jì)溫度低于-196℃的奧氏體不銹鋼制容器才稱為低溫容器，而設(shè)計(jì)溫度低于-20℃的碳素鋼、低合金鋼、雙相不銹鋼和鐵素體不銹鋼制容器即稱為低溫容器。

明確規(guī)定奧氏體不銹鋼用于≥-196℃的牌號(hào)的壓力容器標(biāo)準(zhǔn)有歐盟EN 13445：2009、德國(guó)AD-2000、日本JISB8270-1993等。

2 奧氏體不銹鋼的低溫性能

壓力容器作為承壓設(shè)備要求適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度，奧氏體不銹鋼的強(qiáng)度隨溫度的降低會(huì)有所提高，低溫容器的強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算一般是按照室溫強(qiáng)度為依據(jù)的，因此對(duì)低溫強(qiáng)度也并沒有高的要求。奧氏體不銹鋼的室溫?cái)嗪笊扉L(zhǎng)率的標(biāo)準(zhǔn)保證值基本上均為30%、35%或40%。常用的18-8和18-12-Mo奧氏體不銹鋼在-196℃時(shí)也能保證在30%以上，低溫壓力容器的制造成型一般在室溫以上進(jìn)行，因而對(duì)低溫塑性也不必過多擔(dān)心，即低溫壓力容器的主要失效形式為脆性斷裂，一般都對(duì)其用材的低溫沖擊韌性進(jìn)行控制和檢驗(yàn)。奧氏體不銹鋼有優(yōu)良的低溫沖擊韌性，但沖擊韌性會(huì)受到一些因素的影響。

3 奧氏體不銹鋼低溫沖擊韌性的影響因素

溫度降低時(shí)，即使沒有相變，奧氏體不銹鋼的韌性也會(huì)降低，但降低不多，且沒有突變。這是由于隨著溫度下降，抗拉強(qiáng)度提高的很快，而屈服強(qiáng)度提高的并不快，如不含氮的18-8和18-12-Mo隨著溫度下降，屈強(qiáng)比有所降低，仍可保持較好的韌性和塑性。奧氏體不銹鋼受到變形后，即使沒有相變，由于滑移變形和孿晶變形，致使位錯(cuò)密度增加，晶格缺陷增多，韌性和塑性也會(huì)下降，但降低得也不多。

能使奧氏體不銹鋼的韌性顯著降低的因素更重要的是馬氏體相變。一般認(rèn)為馬氏體為碳在鐵素體中的過飽和固溶體，為體心立方晶格，成為α′馬氏體，呈鐵磁性。另一種形態(tài)的馬氏體具有密集六方晶格，稱為ε相，為非鐵磁性。有人認(rèn)為ε相為奧氏體相變?yōu)棣痢湎嗟闹虚g過渡相，一般主要考慮α′相對(duì)韌性的影響。在馬氏體相變溫度時(shí)，合金元素已不能進(jìn)行擴(kuò)散，因而屬無擴(kuò)散相變，即通過剪切機(jī)構(gòu)產(chǎn)生大規(guī)模有規(guī)則的原子排列變化，很短時(shí)間內(nèi)即可迅速完成相變。而奧氏體鋼中的馬氏體相變與低合金鋼淬火成馬氏體的情況不同。淬火可使鋼中突然全部變成馬氏體，奧氏體鋼中的馬氏體相變過程僅為在奧氏體鋼中的馬氏體生成量逐漸增加，因而對(duì)韌性等性能的影響也是隨著生成量的增大而逐漸增大。降溫和冷變形是誘發(fā)馬氏體相轉(zhuǎn)變的外部條件。

奧氏體不銹鋼中奧氏體相很穩(wěn)定時(shí)，冷變形后不會(huì)或很少析出馬氏體，奧氏體相不穩(wěn)定時(shí)（如亞穩(wěn)定不銹鋼）冷變形后很容易析出馬氏體。主要的奧氏體形成元素鎳、氮等的含量高，可提高奧氏體的穩(wěn)定性。

α′馬氏體為碳在鐵素體中的過飽和間隙固溶體，屬無擴(kuò)散相變。馬氏體相變前的奧氏體基體中含有多少碳，相變后的馬氏體相中就含有多少碳。馬氏體相的脆性高低取決于馬氏體中過飽和溶解的碳含量，即碳在鐵素體中的過飽和度。碳在鐵素體中室溫溶解度僅為0.006%。而奧氏體不銹鋼固溶狀態(tài)下碳含量常為≤0.08%、≤0.03%、≤0.02%。因此超低碳級(jí)奧氏體不銹鋼中的馬氏體相的韌性要比一般低碳級(jí)的鋼中的馬氏體相的韌性高些。

當(dāng)奧氏體不銹鋼為亞穩(wěn)定型時(shí)，組織中有時(shí)會(huì)存在少量鐵素體（尤為焊縫），也說明其奧氏體化的程度低，奧氏體不穩(wěn)定，在變形及低溫下很易產(chǎn)生馬氏體相變。從這一點(diǎn)看，亞穩(wěn)定型奧氏體不銹鋼用作應(yīng)變強(qiáng)化壓力容器用不銹鋼是有優(yōu)點(diǎn)的。

4 低溫沖擊韌性的檢驗(yàn)要求

GB150-2011規(guī)定，奧氏體鋼材的使用溫度≥-196℃時(shí)，可免做沖擊試驗(yàn)，低于-196℃～-253℃時(shí)，由設(shè)計(jì)文件規(guī)定沖擊試驗(yàn)要求。設(shè)計(jì)溫度低于-100℃且不低于-196℃的鉻鎳奧氏體不銹鋼制容器的焊接工藝評(píng)定中，焊縫金屬在不高于設(shè)計(jì)溫度下應(yīng)滿足KV2≥31J（當(dāng)設(shè)計(jì)溫度低于-192℃時(shí)其沖擊試驗(yàn)溫度取-192℃）。

ASME-2011a中規(guī)定，304、304L、316、316L、321、347以及C≤0.10%的奧氏體鉻鎳不銹鋼，在設(shè)計(jì)溫度≥-196℃時(shí)，基體金屬和焊接熱影響區(qū)不要求沖擊試驗(yàn)。當(dāng)采用標(biāo)準(zhǔn)的焊接材料，設(shè)計(jì)溫度≥-104℃時(shí)，沖擊試驗(yàn)可以免檢，當(dāng)設(shè)計(jì)溫度在-104℃～-196℃時(shí)，要求在試驗(yàn)溫度不高于最低設(shè)計(jì)溫度的側(cè)膨脹值LE≤0.38mm，當(dāng)設(shè)計(jì)溫度≤-196℃，采用316L型焊接材料時(shí)，焊縫鐵素體含量應(yīng)≤5%（磁性法測(cè)定）?；w金屬、熱影響區(qū)及焊縫金屬應(yīng)在-196℃時(shí)做沖擊試驗(yàn)，LE≥0.53mm，當(dāng)焊接材料沒有采用316L型，或當(dāng)基體金屬、焊縫金屬或熱影響區(qū)不能滿足上述要求時(shí)，可在試驗(yàn)溫度不高于設(shè)計(jì)溫度時(shí)，按ASTME 1820JIC方法試驗(yàn)。

我國(guó)的壓力容器標(biāo)準(zhǔn)中還沒有對(duì)低于-196℃的奧氏體不銹鋼低溫容器及高于-196℃的應(yīng)變強(qiáng)化奧氏體不銹鋼容器的規(guī)定，在參考國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)時(shí)存在以下問題：

推薦應(yīng)用材料牌號(hào)；

沖擊試驗(yàn)溫度應(yīng)不高于最低設(shè)計(jì)溫度，還是可以高于最低設(shè)計(jì)溫度；

材料、焊縫及熱影響區(qū)的檢驗(yàn)合格指標(biāo)；

免檢的條件。

參考文獻(xiàn)

[1]陸世英.不銹鋼概論[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013.

[2]黃嘉琥.超低溫壓力容器用奧氏體不銹鋼[J].不銹，55（02）：3-10.