低溫鋼及其低溫韌性研究現(xiàn)狀

張麗紅　陳芙蓉

摘要：介紹了低溫鋼國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r及應(yīng)用中易出現(xiàn)的安全問(wèn)題，闡述了韌性斷裂與脆性斷裂的區(qū)別、韌脆轉(zhuǎn)變及低溫脆性斷裂機(jī)理，重點(diǎn)從工藝角度、顯微組織、力學(xué)方法、電子背散射衍射分析技術(shù)和小沖桿試驗(yàn)等不同角度綜述評(píng)定低溫鋼低溫韌性的關(guān)鍵技術(shù)，并闡述了低溫鋼焊接需注意的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：低溫鋼;低溫韌性;低溫鋼焊接

中圖分類(lèi)號(hào)：TG404 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-2303（2020）12-0088-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.12.18

0 前言

近幾十年來(lái)，隨著壓力容器的大型化、厚截面壓力容器的增多，以及化工、石油工業(yè)中低溫壓力容器的使用，低溫鋼用量大大增加，使低溫脆斷事故時(shí)有發(fā)生，引起世界各國(guó)低溫學(xué)者的關(guān)注。研究低溫下的斷裂行為及脆斷機(jī)理，對(duì)于指導(dǎo)低溫壓力容器的安全設(shè)計(jì)及實(shí)際生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。

通過(guò)大量事故調(diào)查分析得出低應(yīng)力脆斷的特點(diǎn)有：（1）低溫脆斷多屬于解理斷裂或準(zhǔn)解理斷裂，斷口光亮而平滑;（2）斷裂通常出現(xiàn)在低溫下，此時(shí)材料韌性較差;（3）斷裂時(shí)構(gòu)件處于低載荷工作狀態(tài)，斷裂應(yīng)力并未超出材料的屈服強(qiáng)度，斷裂很少發(fā)生塑性變形;（4）低應(yīng)力脆斷常發(fā)生在有缺口或裂紋的部位;（5）斷裂時(shí)裂紋呈現(xiàn)出較快的擴(kuò)展速率。

1 低溫鋼及其應(yīng)用介紹

目前，各國(guó)應(yīng)用的低溫鋼大體可分為兩大部分：一是服役在高于-40 ℃（或-45 ℃）的鋁鎮(zhèn)靜C-Mn鋼和調(diào)質(zhì)型高強(qiáng)度鋼;二是在低于-40 ℃（或-45 ℃）至-196 ℃使用的含Ni系列低溫鋼（包含用于-70～

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

歐洲通用的低溫鋼有11MnNi5-3、A-286、13MnNi6-3、15NiMn6、12Ni14、X12Ni5、X8Ni9、X7Ni9、Inconel7l8、InconelX-750，用于高強(qiáng)度的低溫設(shè)備建造[4]。2.3%Ni鋼是美、日等一些發(fā)達(dá)國(guó)家-70 ℃服役環(huán)境下的首選鋼種;0.5%Ni鋼是歐洲一些國(guó)家在-70～-60 ℃工作環(huán)境下應(yīng)用的主要鋼材[5]。美國(guó)及歐洲國(guó)家已將3.5%Ni鋼和5%Ni鋼進(jìn)行了全面推廣，對(duì)應(yīng)指標(biāo)均達(dá)到相應(yīng)規(guī)定。1944年美國(guó)國(guó)際鎳公司的產(chǎn)品研究實(shí)驗(yàn)室研發(fā)Ni含量為9%的中合金鋼，最低應(yīng)用溫度可達(dá)-196 ℃[6]。

我國(guó)研發(fā)了從-40 ℃到-253 ℃的無(wú)鎳低溫用鋼：如-70 ℃用09MnTiCuRe、09Mn2V;-90 ℃用的06MnNb;-120 ℃用的06AlNbCuN、06AlCu等，但由于種種原因，這些低溫鋼并未獲得推廣應(yīng)用[7]。前幾十年國(guó)內(nèi)化工、能源等行業(yè)缺少能服役于-70～-40 ℃環(huán)境的低溫用鋼，一般采取進(jìn)口的形式來(lái)彌補(bǔ)。為此國(guó)內(nèi)鋼廠(chǎng)著手研發(fā)了-70 ℃級(jí)09MnNiDR鋼，與3.5Ni，9Ni鋼相比，其N(xiāo)i含量大大下降，材料成本明顯降低。

有資料表明，采礦業(yè)、建筑施工和運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)用的儀器和設(shè)備隨著工作溫度的降低（由20 ℃降至-60 ℃），機(jī)器零件產(chǎn)生裂紋的幾率明顯增加。低溫脆斷現(xiàn)象在一些管道、壓力容器、化工設(shè)備、船舶、以及大型焊接結(jié)構(gòu)中頻繁發(fā)生，經(jīng)濟(jì)損失慘重[8]。經(jīng)調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，低溫脆斷多屬于解理斷裂或準(zhǔn)解理斷裂，斷裂時(shí)構(gòu)件處于低載荷工作狀態(tài)，斷裂應(yīng)力并未超出材料的屈服強(qiáng)度，且裂紋的擴(kuò)展速率較快。由此可見(jiàn)，作為低溫鋼，很重要的一個(gè)技術(shù)指標(biāo)就是抗低溫脆斷性能。

2 低溫?cái)嗔褭C(jī)理

2.1 韌斷與脆斷

研究證實(shí)，脆性斷裂與韌性斷裂是相對(duì)的，在發(fā)生脆性斷裂時(shí)也會(huì)出現(xiàn)一定的塑性變形，韌斷與脆斷的主要特點(diǎn)是[9]：

（1）韌性斷裂是構(gòu)件經(jīng)過(guò)大量變形后發(fā)生的斷裂。主要條件是超過(guò)工作壓力，主要特征是發(fā)生了明顯的宏觀塑性變形（不包括壓縮失穩(wěn)），且產(chǎn)生延性斷裂。斷口一般能見(jiàn)纖維區(qū)和剪唇區(qū)。形成纖維區(qū)斷口的斷裂機(jī)制一般是“微孔聚合”，在電子顯微鏡中呈韌窩狀花樣。剪切唇總是在斷口邊緣，并與構(gòu)件表面約成45°夾角，是在平面應(yīng)力受力條件下發(fā)生剪切撕裂而形成的斷口，剪切唇表面較光滑，斷裂時(shí)的名義應(yīng)力高于材料的屈服強(qiáng)度。

（2）脆性斷裂是構(gòu)件未經(jīng)明顯的變形而發(fā)生的斷裂。斷裂時(shí)材料幾乎未發(fā)生過(guò)塑性變形，其脆性是引起構(gòu)件脆斷的重要原因。材料內(nèi)部在冶煉、軋制、熱處理等各種制造過(guò)程中不可避免地產(chǎn)生某種微裂紋，在無(wú)損探傷檢驗(yàn)時(shí)又未被發(fā)現(xiàn)。那么在使用過(guò)程中，由于應(yīng)力集中、疲勞、腐蝕等原因，裂紋會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展。當(dāng)裂紋尺寸達(dá)到臨界尺寸時(shí)，就會(huì)發(fā)生低應(yīng)力脆斷的事故。

通常情況下，滑移變形的撕裂會(huì)出現(xiàn)韌窩，所消耗的能量也會(huì)更大。而解理斷裂一般為脆性，斷裂能量被轉(zhuǎn)化為表面能。因此，當(dāng)發(fā)生了撕裂、微孔聚集，以及準(zhǔn)解理變成解理，會(huì)呈現(xiàn)出明顯的韌脆轉(zhuǎn)變。

2.2 韌脆轉(zhuǎn)變

分析脆斷事故可知，溫度對(duì)金屬結(jié)構(gòu)性能的轉(zhuǎn)變的影響較大，大部分?jǐn)嗔咽鹿拾l(fā)生時(shí)都處于低溫狀態(tài)。對(duì)于低溫鋼而言，低溫?cái)嗔汛嬖谝欢ǖ臏囟冉缦蓿ㄍǔ７Q(chēng)為韌-脆轉(zhuǎn)變溫度），此溫度以下斷裂具有脆性斷裂特征，而此溫度以上斷裂屬于韌性斷裂，脆性斷裂和韌性斷裂的表現(xiàn)形式不同，但是斷裂的決定因素都是裂紋擴(kuò)展的力。

通過(guò)作用于金屬材料上的力，在材料內(nèi)部產(chǎn)生位錯(cuò)，并使位錯(cuò)產(chǎn)生滑移，引發(fā)屈服，直至臨界狀態(tài)，裂紋萌生，擴(kuò)展至斷裂。

2.3 低溫脆性轉(zhuǎn)變機(jī)理

由于低溫脆性嚴(yán)重影響材料的正常使用，因此低溫脆性轉(zhuǎn)變機(jī)理也成為材料學(xué)研究中的熱點(diǎn)，相關(guān)理論相當(dāng)豐富[10-14]，如表1所示。不過(guò)正是由于觀點(diǎn)眾多，未能達(dá)成一致，還需進(jìn)行進(jìn)一步探討。

3 低溫鋼低溫韌性研究現(xiàn)狀

3.1 工藝角度

目前，從工藝角度評(píng)定低溫鋼的低溫韌性的方法主要有Gleeble焊接熱模擬技術(shù)、熱處理技術(shù)以及改變化學(xué)成分等。

（1）Gleeble焊接熱模擬技術(shù)。

Gleeble熱模擬技術(shù)可以模擬熱影響區(qū)在不同熱輸入、不同峰值溫度下的性能變化情況，從而為制定焊接工藝提供一定的依據(jù)。西安石油大學(xué)的高聰[15]采用Gleeble-1500試驗(yàn)機(jī)對(duì)9Ni鋼進(jìn)行熱模擬，針對(duì)9Ni鋼焊接熱影響區(qū)的組織脆化、斷裂韌性進(jìn)行研究，有助于9Ni鋼焊接時(shí)焊接工藝參數(shù)與母材的選擇。符中欣[16]采用Gleeble-1500試驗(yàn)機(jī)對(duì)9Ni鋼進(jìn)行兩道焊接熱模擬，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)二次熱循環(huán)后夾在在過(guò)臨界粗晶區(qū)細(xì)小組織對(duì)“脆化帶”的低溫韌性起到明顯的改善作用。

（2）熱處理技術(shù)。

雙相區(qū)熱處理+回火是學(xué)者們普遍采用的提高低溫韌性的熱處理方法。昆明理工大學(xué)的崔黎輝[17]采用雙相區(qū)熱處理+回火對(duì)9NiCrMo鋼進(jìn)行熱處理后發(fā)現(xiàn)，9NiCrMo鋼中逆轉(zhuǎn)奧氏體含量明顯增加，大大提高了其低溫韌性。李國(guó)明[18]采用不同的熱處理研究9Ni鋼的組織與性能，結(jié)果表明當(dāng)采用雙相區(qū)熱處理+回火的熱處理方式時(shí)，回火時(shí)間足夠長(zhǎng)，低溫韌性也隨之升高。

（3）改變化學(xué)成分。

化學(xué)成分的改變對(duì)低溫韌性也有較為明顯的影響。山東大學(xué)的李帥[19]通過(guò)B-Ni復(fù)合添加Q345E鋼，在-10 ℃到-70 ℃進(jìn)行低溫沖擊試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)B-Ni復(fù)合添加顯著地提高了鋼材的低溫韌性。

3.2 顯微組織

在顯微組織對(duì)低溫韌性的影響方面，相關(guān)研究表明，回轉(zhuǎn)奧氏體能夠提高低溫韌性，主要通過(guò)凈化基體、局部相變誘發(fā)塑性和裂紋尖端鈍化效應(yīng)三種途徑;而M-A組元?jiǎng)t會(huì)降低低溫韌性，主要是由于M-A組元含碳量高，硬度很高，是潛在的裂紋源，起著吸氫和引起應(yīng)力集中的作用[20]。學(xué)者們一般結(jié)合熱處理技術(shù)研究組織對(duì)低溫韌性的影響，即通過(guò)一定的熱處理避免或降低M-A組元的產(chǎn)生，從而確保得到回轉(zhuǎn)奧氏體。

3.3 力學(xué)方法

（1）Charpy沖擊試驗(yàn)。

Charpy沖擊試驗(yàn)是評(píng)定金屬材料韌性的重要方法，利用能量法則，通過(guò)沖擊功值能夠確定低溫鋼的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度，同時(shí)通過(guò)觀察斷口形貌能夠分析判斷低溫鋼的斷裂方式。肖銀生等人[21]通過(guò)沖擊試驗(yàn)研究09MnNiDR鋼埋弧焊焊接接頭低溫韌性的變化規(guī)律，使低溫韌性得到有效控制。

（2）CTOD試驗(yàn)。

CTOD試驗(yàn)適用范圍廣，在實(shí)踐工程中應(yīng)用普遍。鋼鐵研究總院的阿榮[22]采用CTOD試驗(yàn)評(píng)定氣電立焊焊縫低溫韌性是否合格。昆明工業(yè)大學(xué)的李道鋼[23]通過(guò)CTOD試驗(yàn)評(píng)定9Ni鋼焊接接頭各區(qū)域低溫韌性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)韌性全部達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求且較高。

3.4 電子背散射衍射分析技術(shù)（EBSD）

EBSD技術(shù)是一種新型的、有效的材料顯微組織晶體學(xué)特征的研究方法。該技術(shù)能分析樣品的亞微米級(jí)尺度，了解其晶體結(jié)構(gòu)，研究晶界特性、真實(shí)晶粒尺寸、晶體學(xué)取向、并評(píng)估材料的失效機(jī)理、斷裂機(jī)制。蘭州理工大學(xué)的王哲[24]利用EBSD技術(shù)觀察低碳貝氏體鋼裂源處貝氏體團(tuán)、奧氏體晶粒的尺寸及大角度晶界的尺寸，研究焊縫金屬中枝晶形態(tài)對(duì)沖擊韌性的影響。昆明理工大學(xué)的鄧燦明[25]利用EBSD技術(shù)分析板條狀馬氏體鋼中各亞結(jié)構(gòu)界面的強(qiáng)化作用，結(jié)果證實(shí)，大角度界面能夠強(qiáng)化0.2C-2Mn鋼多尺度結(jié)構(gòu)。

3.5 小沖桿試驗(yàn)（SPT）

SPT是通過(guò)試驗(yàn)方式來(lái)統(tǒng)計(jì)材料相關(guān)數(shù)據(jù)的有效方法。它主要是利用一種圓頭沖桿并以一定的速度沖壓薄片試樣，記錄采集從試樣發(fā)生形變開(kāi)始直至失效斷裂的數(shù)據(jù)，從而分析材料的蠕變性能、韌性、強(qiáng)度以及塑性等?？梢越朴跓o(wú)損的用于評(píng)定在役設(shè)備的性能。研究?jī)?nèi)容已擴(kuò)展到材料的沖擊韌性和斷裂韌性，如華東理工大學(xué)的陳建濤[26]和喻燦[27]采用SPT試驗(yàn)評(píng)定材料的低溫韌性和JIC經(jīng)驗(yàn)。

4 低溫鋼焊接

對(duì)于低溫鋼焊接而言，焊接性研究的重點(diǎn)是保證焊接接頭的低溫韌性和防止焊接裂紋。為此低溫鋼在焊接過(guò)程中應(yīng)合理地選擇焊接材料、控制焊接熱輸入和焊接裂紋。

4.1 焊接材料的選擇

對(duì)于低溫鋼而言，焊接材料的選擇原則是焊接金屬具有與母材相匹配的低溫韌性，盡量減少擴(kuò)散氫的含量。低溫用脫氧鋼及使用溫度低的Ni系低溫鋼（如2.5%Ni）的焊接，可采用鐵素體系共晶焊接材料以提高焊縫金屬的低溫韌性;然而對(duì)于使用溫度更低的低溫鋼，如9%Ni低溫鋼，則需采用含Ni量較高的焊接材料[28]。

4.2 焊接熱輸入的控制

焊接熱輸入對(duì)焊接接頭低溫韌性有著極大的影響，不同的焊接方法熱輸入量不同。焊接低溫鋼常用的焊接方法主要有焊條電弧焊、埋弧焊和鎢極氬弧等。焊條電弧焊的熱輸入量約為18～30 kJ/cm，埋弧焊的熱輸入約在10～22 J/cm，而鎢極氬弧焊的熱輸入在9～15 kJ/cm范圍內(nèi)。一般而言，熱輸入越小，焊接接頭的低溫韌性就越高。通常通過(guò)選擇合適的焊接方法、采用多層多道焊等措施限制熱輸入量，以提高焊接接頭的低溫韌性。

4.3 焊接裂紋的控制

低溫鋼焊接接頭常見(jiàn)的裂紋為焊接冷裂紋，為防止其產(chǎn)生，應(yīng)適當(dāng)控制母材和焊接材料中C、S和P的含量，調(diào)整Ni和Mn的添加量;在許可范圍內(nèi)，適當(dāng)增加焊接熱輸入;同時(shí)還應(yīng)注意焊縫中擴(kuò)散氫的含量。

5 結(jié)論

（1）低溫鋼很重要的一個(gè)技術(shù)指標(biāo)就是抗低溫脆斷性能。

（2）學(xué)者們主要從工藝角度、顯微組織分析和力學(xué)性能試驗(yàn)等方面評(píng)定低溫鋼低溫韌性。

（3）焊接材料、熱輸入的選擇及焊接裂紋的控制是提高低溫鋼焊接接頭低溫韌性關(guān)鍵因素。

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收稿日期：2020-07-01

基金項(xiàng)目：內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)?？茖W(xué)研究項(xiàng)目（NJZY18277）;內(nèi)蒙古機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研項(xiàng)目（NJDZJZR1707）

作者簡(jiǎn)介：張麗紅（1983— ），女，博士，副教授，主要從事低溫鋼低溫韌性的研究。E-mail：zlhong820@sina.com。

通訊作者：陳芙蓉（1971— ），女，教授。E-mail：cfr7075@imut.edu.cn。