在选择低温钢时需注意以下几点事项:


1. 脆性-延伸性转变温度


  某些金属在低于室温环境下的某个狭窄温度区间内会展示出令人惊异的延伸性损失的现象,这个温度区间被称为脆性-延伸性转变温度。应当避免钢材在其零延伸性温度下使用。因为脆性裂纹扩展产生的危险可能导致构件或整个系统的加速破坏。由于在低于零延伸性温度下,导致裂纹扩展所需的能量极低,因此,要改善钢材的韧性需要考虑下列因素。


   ①. 晶粒尺寸对所用钢材的零延性温度有很大的影响。随着晶粒数量增加(即晶粒尺寸变小),零延伸性温度降低。因此,细晶粒钢种通常都可以在低温下使用。


   ②. 恰当地热处理在增加钢材的断裂韧性方面可能极为有效。例如,淬火加回火就是提高韧性的一种有效的热处理措施。


   ③. 在合金元素中,镍、钛、锰可以提高钢材的断裂韧性。


   ④. 厚度是另一个影响脆性-延伸性转变温度的变量。


2. 金相结构决定低温性能


在环境温度以下,某种金属的性质与金相结构特点有关。


   ①. 体心立方(bcc)结构的金属,其拉伸和屈服强度很大程度上取决于温度,通常在低于室温的某个狭窄的温度范围显示出令人吃惊的延伸性的损失(如铁和钼)。


  ②. 面心立方(fcc)结构的金属,如铝、铜以及奥氏体不锈钢,常常随着温度的升高,延伸性也随之增加,并且与屈服强度相比较,拉伸强度受温度的影响更大。


  ③. 密排六方(hcp)结构的金属,其拉伸和屈服强度受环境温度的影响很大,并且此类金属通常在零度以下会出现巨大的延伸性的损失(如锌、钛以及某些钛合金);然而,在低温环境下,这类金属却具有良好的延伸性。


  ④. 塑性变形加上低温作用可能导致通常具有延伸性和韧性的不锈钢,部分地转变为体心立方晶格(bcc)结构,从而致使延伸性和韧性受到损失,如12Cr17Ni7(301)、12Cr18Ni9(302)、06Cr19Ni10(304)以及06Cr18Ni11Ti(321)。


   ⑤. 在某些材料中,化学成分的微小变化也可能影响延伸性能。例如,在某种具有延伸性的钛合金中,将氧含量从0.10%增加到0.20%,在-253℃下,可能降低韧性10%~15%。


3. 缺口韧性


   缺口韧性被定义为在高应力(如可能产生的冲击载荷)下,金属抗脆断的能力。缺口韧性可以采用多种方法测量。常用测试方法是夏普V形缺口试验。由于部件或结构通常因缺口,应力集中等缺陷,如褶皱、焊接裂纹、弧坑,尖锐突变等产生破坏,因此,这种测试被视为十分必要。通过夏普V形缺口试验,人们可以决定材料出现脆化时的转变温度,而这数据和资料有助于设计者选择钢材,从而保证在整个使用期间承受的温度或应力范围内,材料具有足够的韧性。


4. 低温选材


   选择低温和深冷用途的材料需要透彻了解使用场合以及所提供金属材料每种等级的力学性能(机械性能)方面的知识。由于有多种低温材料可选用,因此设计者必须根据材料的用途来考虑其价值。建议考虑的一些因素包括有:强度成本比、焊接和制造成本以及低于-59.4℃以下的使用场合选择合金钢时,极高强度和良好的冲击性能的需要。


5. 低温和深冷用途的材料


   铝、铜、钛、镍基合金,含9%Ni的铁素体钢以及不锈钢等材料为设计者提供了一个很大的、并且已经成功用于液化气体行业中的气体液化、存储和输送设备的材料选择范围。表4-7给出了一个带有最低使用温度的常用低温材料选力学性能表。


   用于存储和输送液化气体的设备,对材料的一个主要的要求就是在该液体的处理温度下具有足够的韧性。其他还要求有诸如最小质量;焊接工艺性好求,如抗冷、热裂纹、热影响区脆断、焊接接头高强度高韧性要求以及耐腐蚀要求;尽可能低的热膨胀要求,以最大限度减小因环境和操作温度造成的温度差引起的尺寸变化;相对低的比热、低的导热性以降低导热要求等。


   低温材料使用温度,见表4-7。


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6. 深冷容器和换热器的制造


 大多数低温材料具有良好的可成形性能和可焊性。而且大多数装置也都要采用焊接制造技术或成型技术。低温装置制造的各种影响因素,其中的一些要点列出如下:


   ①. 所有的原材料和消耗品都严格的质量检验和规范规定的试验检验;


   ②. 对于各种类型的焊接操作,焊接坡口的制备被视为具有头等的重要性,因此,应当作出清楚的规定,并且对所有的焊接接头都要严格执行;


   ③. 焊接装备必须经过严格检查,以保证正常使用;


   ④. 最重要的是,焊接金属和热影响区的断裂韧性必须大于或等于母材的断裂韧性。焊接装配应当抗冷热裂纹以及热影响区的脆化。