黃嘉琥，陸戴丁

(合肥通用機(jī)械研究院，安徽合肥 230031)

(接上期)

3.4.5 奧氏體穩(wěn)定性對(duì)馬氏體相變的影響

低溫與冷變形是誘發(fā)奧氏體相變?yōu)轳R氏體的主要外部條件，奧氏體的穩(wěn)定性則是奧氏體相變?yōu)轳R氏體的主要內(nèi)在影響因素。奧氏體不銹鋼中的奧氏體相按其穩(wěn)定性可分為穩(wěn)定型奧氏體和亞穩(wěn)定型奧氏體兩類(lèi)。固溶狀態(tài)的奧氏體不銹鋼，如經(jīng)降溫、冷變形后奧氏體相較容易逐漸相變?yōu)轳R氏體者稱(chēng)為亞穩(wěn)定型奧氏體相，如不能或很難相變?yōu)轳R氏體者稱(chēng)為穩(wěn)定型奧氏體相。

不銹鋼中的合金元素可分為奧氏體形成元素和鐵素體形成元素，各合金元素的這兩種相的形成能力也有高低之分。鋼中所含各元素綜合的奧氏體形成能力用鎳當(dāng)量表示，綜合的鐵素體形成能力用鉻當(dāng)量表示。各元素的形成能力高低在鎳當(dāng)量和鉻當(dāng)量公式中均有定量的系數(shù)。奧氏體不銹鋼中的奧氏體相的穩(wěn)定性也主要由奧氏體相中的合金元素所決定。奧氏體的穩(wěn)定性高低尚難定量標(biāo)示。當(dāng)奧氏體不銹鋼中含有一些鐵素體時(shí)，奧氏體相和鐵素體相中的各合金元素的含量并不相同。奧氏體相中的奧氏體形成元素的含量要高于鐵素體相，鐵素體形成元素的含量要低于鐵素體相。鋼中各合金元素的標(biāo)準(zhǔn)成分與實(shí)測(cè)成分均為鋼的平均成分含量。奧氏體相中的成分含量與鋼中的平均成分含量并不相同。合金元素在奧氏體相與鐵素體相之間存在一個(gè)分配問(wèn)題，某合金元素在鐵素體相中的含量與在奧氏體相中的含量的比值稱(chēng)為分配系數(shù)。固溶狀態(tài)各合金元素的分配系數(shù)見(jiàn)表8［10］。由表8可以看出，奧氏體相中的主要合金元素的含量與鐵素相中的含量相比較，鎳為1.67倍，氮為10倍，鉻為0.83倍，鉬為0.63 倍。

表8 合金元素在鐵素體相和奧氏體相中的分配系數(shù)

對(duì)于固溶態(tài)的奧氏體不銹鋼而言，鋼中的鐵素體含量取決于鋼中鎳當(dāng)量與鉻當(dāng)量的比值。鋼中奧氏體相的穩(wěn)定性則取決于奧氏體相中鎳當(dāng)量與鉻當(dāng)量的比值(此處簡(jiǎn)稱(chēng)比值)，奧氏體相中的比值越高，奧氏體的穩(wěn)定性越強(qiáng)。當(dāng)鋼中的鐵素體含量接近為零時(shí)可稱(chēng)鋼中的比值為臨界比值，此時(shí)奧氏體不銹鋼基本上為全奧氏體鋼。全奧氏體不銹鋼中的比值與鋼中奧氏體相的比值是相同的。在比值超過(guò)臨界比值的情況下，全奧氏體不銹鋼中的奧氏體相為穩(wěn)定型奧氏體相。比值越高，奧氏體穩(wěn)定性越高。如鋼中的比值低于臨界比值，鋼中會(huì)產(chǎn)生鐵素體相，此時(shí)鋼中奧氏體相中的比值會(huì)隨之降低，奧氏體相的穩(wěn)定性也會(huì)降低。鋼中的比值降得越低，產(chǎn)生的鐵素體含量會(huì)增加，鋼中奧氏體相的比值也更低，鋼中奧氏體相的穩(wěn)定性也更低。一般18－8型，18－12－Mo型奧氏體不銹鋼常存在一些鐵素體相。這些鋼中的奧氏體相都認(rèn)為是亞穩(wěn)定型奧氏體相。305(10Cr18Ni12)，310(25Cr－20Ni)，904L 及一些超級(jí)奧氏體不銹鋼的奧氏體相屬穩(wěn)定型奧氏體相。

不銹鋼中的奧氏體形成元素大多可提高奧氏體相的穩(wěn)定性，鐵素體形成元素大多可降低奧氏體相的穩(wěn)定性，常具有較好的一致性。但有時(shí)也不一定完全一致，例如低溫奧氏體不銹鋼中的鉻含量常為16%～31%。鉻含量在不銹鋼中可提高鐵素體含量。但由于鉻含量在不銹鋼中常較高，對(duì)降低開(kāi)始產(chǎn)生馬氏體相變的溫度Ms和Md時(shí)常起主要作用，Ms和Md的降低也是奧氏體相穩(wěn)定性提高的表現(xiàn)。

含銅奧氏體不銹鋼中含銅多為≤2%，也可以為1% ～4%。銅為弱的奧氏體形成元素，銅的鎳當(dāng)量?jī)H為0.3%。銅在奧氏體不銹鋼中更重要的作用是在冷成形時(shí)可顯著降低冷作硬化，減少冷變形誘發(fā)馬氏體相變的作用。日本和法國(guó)曾在較早的標(biāo)準(zhǔn)中推薦含銅奧氏體不銹鋼用于低溫壓力容器，如日本牌號(hào) SUS316J1(－196℃)，SUS316J1L(－268℃)。法國(guó)牌號(hào)Z2NCDU25－20，Z2NCDU25－25－05AZ，Z2CNDU17－16，Z1NCDU25－20，Z1NCDU31－27，Z1NCDU25－25－05AZ，Z1CND25－22AZ，Z1CNDU20－18－06AZ均用于－196℃。由于含銅奧氏體不銹鋼的熱成形性能較低，在耐蝕不銹鋼中含銅奧氏體不銹鋼主要提高在硫酸等還原性介質(zhì)中的耐蝕性，低溫鋼可不考慮腐蝕。近年來(lái)，低溫用奧氏體不銹鋼已基本不用含銅鋼。

錳在一般的鉻鎳奧氏體不銹鋼中主要作為非主要元素(雜質(zhì))，錳含量一般≤2%，只在鉻錳氮不銹鋼和鉻錳鎳氮不銹鋼(200系)中才加入大量錳，以取代鎳的奧氏體形成能力。錳屬于弱的奧氏體形成元素，錳的鎳當(dāng)量為0.5%，如以鎳含量的2倍錳取代鉻鎳奧氏體不銹鋼中全部或部分鎳，成為鉻錳氮或鉻錳鎳氮類(lèi)的奧氏體不銹鋼，即使其鎳當(dāng)量相同，鉻錳氮或鉻錳鎳氮奧氏體不銹鋼也會(huì)比鉻鎳奧氏體不銹鋼更容易發(fā)生馬氏體相變，馬氏體的生成量明顯增多。降溫或冷變形時(shí)都會(huì)生成較多的α'和ε馬氏體。早期前蘇聯(lián)、法國(guó)等曾在低溫壓力容器用奧氏體不銹鋼中推薦采用一些鉻錳鎳氮和鉻錳氮奧氏體不銹鋼牌號(hào)，如前蘇聯(lián)的10X14Г14H4T(－260 ℃)，03X20H16AГ6(－269℃);法國(guó)的 Z4CMN18－08－07AZ(－253℃)。近年低溫用奧氏體不銹鋼已基本不推薦采用鉻錳鎳氮和鉻錳氮不銹鋼，只采用鉻鎳不銹鋼。

在鉻鎳奧氏體不銹鋼中，提高奧氏體穩(wěn)定性的合金元素主要是鎳和氮，鎳的含量通常較高。中國(guó)規(guī)定鎳含量低于30%才是不銹鋼，鎳含量30%～50%為鐵鎳基合金。因此，不銹鋼中的鎳含量均低于30%。含鎳量最高的牌號(hào)為S31782(或 S39042)(015Cr21Ni26Mo5Cu2)，鎳含量 ＜28%，相當(dāng)于美國(guó)的904L。美國(guó)和EN則將有些鎳含量高于30%的牌號(hào)也列入不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)中，如美國(guó)的UNS N08020鎳含量最高可為38%，EN的X2NiCrAlTi32－20(1.4558)鎳含量最高可為35%。氮和碳對(duì)奧氏體穩(wěn)定性的提高均有很大的作用。由于碳含量高會(huì)提高馬氏體中碳的過(guò)飽和度，降低馬氏體的低溫韌性，因此低溫用鋼的碳含量一般不超過(guò)0.08%，而氮含量對(duì)降低馬氏體的低溫韌性并無(wú)明顯影響。氮在奧氏體相中的溶解度很高，當(dāng)鉻含量為25%時(shí)，在固溶溫度時(shí)氮在奧氏體相中的溶解度可達(dá)1.4%。在鉻含量為18%時(shí)，在固溶溫度時(shí)氮在奧氏體相中的溶解度可達(dá)0.9%［10］。一般控氮型牌號(hào)中含氮≤0.1%或≤0.11%，許多中氮鋼中氮含量可達(dá)0.3%，高合金中氮鋼的氮含量可達(dá)0.6%。氮對(duì)提高奧氏體穩(wěn)定性起著重要作用。低溫用奧氏體不銹鋼中除含鈦、鈮的牌號(hào)外，都采用控氮型或中氮型含氮鋼。

3.4.6 合金成分對(duì)馬氏體起始相變溫度的影響

奧氏體不銹鋼的奧氏體相中除鈷外的所有合金元素都能不同程度地降低奧氏體相開(kāi)始產(chǎn)生馬氏體相變的最高臨界溫度——馬氏體點(diǎn) Ms和Md。奧氏體相中的合金元素含量越多，Ms和Md溫度越低，奧氏體相越不易相變成馬氏體。對(duì)于α'馬氏體的形成已經(jīng)建立起了Ms(α')和Md(α')(30/50)點(diǎn)與合金成分的經(jīng)驗(yàn)公式［6］:

式中 Ms(α')——α'馬氏體相變起始溫度，℃

Md(α')(30/50)——冷變形真應(yīng)變量30%產(chǎn)生50% α'馬氏體的相變起始溫度，℃

合金元素符號(hào)表示奧氏體相中該合金元素的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。當(dāng)奧氏體不銹鋼為全奧氏體不銹鋼時(shí)，奧氏體相的合金含量與不銹鋼中的含量相同。當(dāng)奧氏體不銹鋼中含有少量鐵素體相時(shí)，奧氏體相中的合金含量與不銹鋼的平均含量相差不多，由于奧氏體相中的合金含量較難測(cè)定，公式中可用不銹鋼的實(shí)測(cè)平均含量代替奧氏體相中的合金含量，誤差不會(huì)很大。

鉻鎳奧氏體不銹鋼中鉻和鎳的含量較多，兩公式中鉻和鎳的系數(shù)也較大，因而鉻鎳含量常起主要作用。氮含量常比碳含量高，起的作用也較大，Ms(α')的公式中未列入鉬，而Md(α')(30/50)的公式中列入了鉬。說(shuō)明只有在冷變形后鉬才起到明顯的作用，此應(yīng)為含鉬鋼的特點(diǎn)。由于α'馬氏體和 ε馬氏體的Ms和 Md較接近，兩公式雖僅為α'馬氏體的公式，可認(rèn)為與整個(gè)馬氏體的Ms和Md是接近的。

馬氏體起始相變溫度僅為馬氏體相變降低韌性的一個(gè)因素，韌性主要由馬氏體相的量所決定。Ms和Md可在牌號(hào)選用時(shí)作為一個(gè)參考因素，不宜作為檢驗(yàn)考核指標(biāo)。

Ms(α')為鋼材沒(méi)有冷變形時(shí)的參數(shù)，Md(α')(30/50)為30%真應(yīng)變量時(shí)的參數(shù)。壓力容器非螺栓構(gòu)件一般要經(jīng)受冷變形，且冷變形量不超過(guò)10%。因而壓力容器非螺栓構(gòu)件上的奧氏體不銹鋼的馬氏體起始相變溫度值應(yīng)在兩公式的值之間。

EN 13445:2009標(biāo)準(zhǔn)對(duì)低溫壓力容器非螺栓構(gòu)件用壓力加工奧氏體不銹鋼的牌號(hào)作了最明確的規(guī)定，有較好的代表性?？捎弥粒?96℃的牌號(hào)15個(gè)，可用至－273℃的牌號(hào)10個(gè)?，F(xiàn)將這些牌號(hào)按EN 10088－1:2005不銹鋼牌號(hào)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的化學(xué)成分的上限、下限和平均值分別計(jì)算出Ms(α')和 Md(α')(30/50)值列于表9。如將18－8型和18－12－Mo型作為亞穩(wěn)定型奧氏體的牌號(hào)，高合金的牌號(hào)作為穩(wěn)定型奧氏體的牌號(hào)，按平均成分的Ms(α')和Md(α')(30/50)馬氏點(diǎn)溫度范圍列于表10。

由表9和表10可以看出:

(1)下限成分的馬氏體點(diǎn)為最高溫度，上限成分的馬氏體點(diǎn)為最低溫度，兩值相差很大，因此對(duì)同一牌號(hào)，合金成分在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，馬氏體點(diǎn)可在很寬的溫度范圍(如數(shù)百度)內(nèi)波動(dòng)。

(2)某牌號(hào)按平均成分所得的馬氏體點(diǎn)溫度對(duì)該牌號(hào)有較好的代表性。表10中，可用于－196℃的牌號(hào)，Ms(α')均低于－196℃;可用于－273℃的牌號(hào)，Ms(α')均＜－273℃。穩(wěn)定型奧氏體牌號(hào)的Ms(α')和Md(α')(30/50)低于亞穩(wěn)定型奧氏體牌號(hào)。

(3)冷變形后的馬氏體點(diǎn)可參考平均成分的Md(α')(30/50)溫度。含鉬奧氏體不銹鋼的值明顯低于非含鉬鋼。從馬氏體點(diǎn)來(lái)考慮，冷變形的奧氏體不銹鋼采用含鉬鋼是有利的。鉬為形成和穩(wěn)定鐵素體的元素，易使鋼中產(chǎn)生鐵素體相，并降低奧氏體相的穩(wěn)定性。

表9 EN 13445:2009用低溫奧氏體不銹鋼的Ms(α')和Md(α')(30/50)

表10 亞穩(wěn)定型與穩(wěn)定型奧氏體牌號(hào)平均成分的Ms(α')和Md(α')(30/50)

3.4.7 碳含量對(duì)馬氏體相韌性的影響

鉻鎳奧氏體不銹鋼在固溶溫度時(shí)碳的溶解度約為0.08%，當(dāng)鋼中碳含量≤0.08%時(shí)碳基本上均可溶于奧氏體基體中。快冷到室溫時(shí)，碳基本上均可過(guò)飽和溶解于奧氏體鋼中。奧氏體相變?yōu)轳R氏體系無(wú)擴(kuò)散相變，碳仍均過(guò)飽和地溶于馬氏體相中。馬氏體中的碳含量越高，碳的過(guò)飽和溶解度越大，造成的晶格點(diǎn)陣畸變?cè)絿?yán)重，馬氏體本身的韌性就越低。因而低溫用奧氏體不銹鋼只采用碳含量≤0.08%，≤0.03%，≤0.02%三種碳含量的牌號(hào)。由表9可以看出，用于－273℃的牌號(hào)只采用C≤0.03%和C≤0.02%的碳含量。所用穩(wěn)定型的奧氏體鋼只采用C≤0.02%的碳含量。

對(duì)于C≤0.08%的低碳型奧氏體不銹鋼而言，鋼中加入適量的鈦或鈮后，在850～900℃的穩(wěn)定化熱處理后，鈦與鈮可充分地與碳結(jié)合形成碳化鈦和碳化鈮。即使在固溶溫度時(shí)，仍可有部分碳以碳化鈦和碳化鈮的形式存在，這樣都會(huì)使奧氏體相中溶解的碳含量減少。因此固溶處理狀態(tài)的奧氏體不銹鋼中奧氏體中過(guò)飽和溶解的碳含量會(huì)減少，奧氏體相變?yōu)轳R氏體相后，馬氏體中碳的過(guò)飽和度也會(huì)減小，這樣會(huì)使馬氏體的低溫韌性也下降得較少。加入的鈦和鈮實(shí)際上起了降低碳含量的作用，因此含鈦、鈮的奧氏體不銹鋼對(duì)提高低溫韌性也是有利的。當(dāng)然碳化鈦與碳化鈮存在于奧氏體鋼中對(duì)韌性有些不利作用，但不太明顯。

4 牌號(hào)成分

4.1 一般壓力容器非螺栓用低溫鋼

4.1.1 牌號(hào)應(yīng)用概況

在一些壓力容器標(biāo)準(zhǔn)及不銹鋼材料標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)低溫用的牌號(hào)的規(guī)定并不具體。由于絕大部分奧氏體不銹鋼牌號(hào)都可用作－196℃級(jí)，標(biāo)準(zhǔn)中只作了原則性說(shuō)明，對(duì)于可用作－273℃級(jí)的牌號(hào)的規(guī)定則較少。如GB 150—2011中只說(shuō)明奧氏體不銹鋼如用于≥－196℃時(shí)可免做沖擊試驗(yàn)，沒(méi)有推薦具體牌號(hào)，也未提及宜用于－273℃級(jí)的牌號(hào)。ASME—2013中只提及 304，304L，316，316L，321，347 及 C≤0.10% 的奧氏體不銹鋼材及焊接熱影響區(qū)在用于≥－196℃時(shí)，焊縫在≥－104℃時(shí)可免檢沖擊試驗(yàn)，ASTM A312—2001奧氏體不銹鋼無(wú)縫管標(biāo)準(zhǔn)中說(shuō)明304，304L，347用于≥－250℃時(shí)可免檢沖擊試驗(yàn)。BS 5500:1997中規(guī)定奧氏體不銹鋼用于≥－196℃時(shí)無(wú)特殊檢驗(yàn)要求。ISO與EN的承壓不銹鋼板標(biāo)準(zhǔn)中標(biāo)明耐蝕級(jí)的奧氏體不銹鋼材均可保證－196℃的 KV2≥60 J(個(gè)別含鈮牌號(hào) KV2≥40 J)。只有 EN 13445:2009，AD—2000 及 JIS B8270—1993壓力容器標(biāo)準(zhǔn)及NF A36－209—1990壓力容器用不銹鋼板標(biāo)準(zhǔn)中分別規(guī)定了－196℃級(jí)和－273℃級(jí)的具體牌號(hào)，列于表11。這些牌號(hào)可作為一般壓力容器(非應(yīng)變強(qiáng)化)非螺栓構(gòu)件用低溫奧氏體不銹鋼牌號(hào)的代表。概況如下:

(1)主要應(yīng)用鉻鎳鋼(400系)，也可應(yīng)用鉻錳鎳氮鋼(200系)，俄羅斯曾用03X20H16AΓ6(－269℃)。

(2)EN 13445:2009中將鉻鎳奧氏體不銹鋼按鉻含量分為Cr≤19%及Cr＞19%兩類(lèi)牌號(hào)。Cr≤19%的牌號(hào)主要為18Cr－8Ni，18Cr－12Ni－2Mo及18Cr－12Ni－3Mo等類(lèi)型，多為亞穩(wěn)定型奧氏體鋼，在低溫鋼中應(yīng)用較多。Cr＞19%的牌號(hào)合金含量高，常為穩(wěn)定型奧氏體鋼，也用作低溫鋼。

(3)牌號(hào)的碳含量上限有0.10%，0.08%，0.03%及 0.02%幾種。氮含量有控氮型(≤0.11%)和中氮型(0.1% ～ 0.4%)，也有含硅、含銅的牌號(hào)。鉬含量既用一般≤4%的常規(guī)牌號(hào)，也用Mo≤7%的高鉬牌號(hào)?？捎煤伝蜮壍姆€(wěn)定化牌號(hào)。

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4.1.2 牌號(hào)應(yīng)用趨向

在表11中列出規(guī)定牌號(hào)的4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中，JIS B8270—1993和NF A36－209—1990為早期標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)已被取代(現(xiàn)版JIS B8265:2003中未規(guī)定低溫鋼牌號(hào))?？梢暈樵缙趯?duì)低溫牌號(hào)的規(guī)定。AD—2000中規(guī)定了≥－200℃用的8個(gè)牌號(hào)和≥－270℃用的7個(gè)牌號(hào)。在此基礎(chǔ)上，EN 13445:2002規(guī)定了≥－200℃用的15個(gè)牌號(hào)和≥－270℃用的10個(gè)牌號(hào)。EN 13445:2009中改將15個(gè)牌號(hào)規(guī)定用于≥－196℃，10個(gè)牌號(hào)規(guī)定用于≥－273℃(另規(guī)定了用于≥－196℃的5個(gè)鑄鋼牌號(hào)，此處不討論)。在其他壓力容器標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)不同低溫級(jí)別規(guī)定應(yīng)采用的牌號(hào)均不夠具體和全面。因此按EN 13445:2009中的規(guī)定牌號(hào)與其他較早的標(biāo)準(zhǔn)相比較，可以得到低溫用奧氏體不銹鋼的應(yīng)用趨向如下:

(1)只應(yīng)用鉻鎳奧氏體不銹鋼，基本上不再采用鉻錳鎳氮奧氏體不銹鋼。

(2)只應(yīng)用C≤0.08%的牌號(hào)，不采用含碳量0.04% ～0.10%的347H，316H 耐熱型牌號(hào)。

(3)一般牌號(hào)不采用非含氮鋼，至少應(yīng)采用控氮鋼(N≤0.10%或0.11%)。低碳級(jí)的牌號(hào)不采用中氮鋼(氮含量 0.1% ～0.4%)，C≤0.03%的超低碳級(jí)的牌號(hào)才采用中氮鋼。如不采用304N，316N，317N，而采用 304LN，316LN，317LN，317LMN，310MoLN，S32154，1.4537 等。

(4)不用含硅鋼如 S30600，1.4361。

(5)Cr＞19%的高合金鋼只采用超低碳級(jí)(C≤0.03% 或 C≤0.02%)，不采用低碳級(jí)(C≤0.08%)如 309S，310S。Cr≤19% 的牌號(hào)可采用低碳級(jí)。

(6)可采用低碳級(jí)穩(wěn)定化牌號(hào)如321，347，316Ti，316Nb。

(7)Cr≤19%的牌號(hào)不用含銅鋼，Cr＞19%的高合金牌號(hào)有時(shí)可用含銅鋼如S31254，904L，N08028，可改善高合金牌號(hào)的冷成形性能。

4.1.3 －273℃級(jí)用牌號(hào)相對(duì)于－196℃級(jí)的特點(diǎn)

主要比較EN 13445:2009中－273℃級(jí)的10個(gè)牌號(hào)相對(duì)于－196℃級(jí)15個(gè)牌號(hào)的合金特點(diǎn)。

(1)－196℃級(jí)的牌號(hào)可采用C≤0.08%的牌號(hào)。－273℃級(jí)的牌號(hào)中，當(dāng)Cr≤19%時(shí)要求采用C≤0.03%的牌號(hào)，當(dāng)Cr＞19%時(shí)的高合金牌號(hào)要求采用C≤0.02%的牌號(hào)。

(2)含鈦或鈮的穩(wěn)定化牌號(hào)只用于－196℃級(jí)，不用于－273℃級(jí)。

(3)同一類(lèi)型的牌號(hào)，鎳含量高的牌號(hào)奧氏體穩(wěn)定性高，可用于－273℃級(jí);鎳含量低的牌號(hào)奧氏體穩(wěn)定性低，可用于－196℃級(jí)，如表12所示。

表12 同類(lèi)型牌號(hào)按鎳含量高低決定低溫應(yīng)用級(jí)別

(4)鉬含量超過(guò) 4%的牌號(hào)如 1.4439，1.4547，1.4537，1.4539，1.4529 只能用于－196℃級(jí)，不能用于－273℃級(jí)。鉬為形成與穩(wěn)定鐵素體的元素，在合金元素較高的合金中含較高含量的鉬，焊接接頭在焊后狀態(tài)時(shí)鋼中易形成δ鐵素體和σ相，降低韌性。

(5)中氮鋼(鉬含量低于4%)牌號(hào)如304LN，316 LN，317 LN，310 MoLN等主要用于－273℃級(jí)。

4.2 應(yīng)變強(qiáng)化壓力容器非螺栓用低溫鋼

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ASME—2013，Case 2596－1《奧氏體不銹鋼壓力容器的冷延伸》和EN 13458－2:2002《低溫容器——固定式真空絕熱容器》的附件C《奧氏體不銹鋼容器的壓力強(qiáng)化》中的設(shè)計(jì)溫度均為50～－196℃。應(yīng)變強(qiáng)化壓力容器所用奧氏體不銹鋼板材的牌號(hào)及拉伸性能列于表13。ASME中采用了7個(gè)牌號(hào)，EN中采用了6個(gè)牌號(hào)。

特點(diǎn)如下:

(1)EN所用6個(gè)牌號(hào)均為18Cr－8Ni型牌號(hào)，ASME所用7個(gè)牌號(hào)中3個(gè)牌號(hào)為18Cr－8Ni型，4個(gè)牌號(hào)為18Cr－12Ni－2Mo型牌號(hào)，均為奧氏體不銹鋼中合金含量最低的牌號(hào)。合金含量低，由冷變形誘發(fā)開(kāi)始產(chǎn)生馬氏體轉(zhuǎn)變的最高溫度——馬氏體點(diǎn)Md也就高。在室溫下冷變形能較容易開(kāi)始產(chǎn)生由奧氏體到馬氏體的相變。這些牌號(hào)均為亞穩(wěn)定型奧氏體鋼，低溫與變形均易促使馬氏體相變，達(dá)到應(yīng)變強(qiáng)化的效果。

(2)碳含量采用了低碳級(jí)與超低碳級(jí)。碳含量高者應(yīng)變強(qiáng)化所產(chǎn)生的馬氏體強(qiáng)度也較高。

(3)采用了中氮鋼，可提高強(qiáng)度，對(duì)降低韌性的影響不大。

(4)不采用含銅鋼，以免含銅會(huì)降低應(yīng)變強(qiáng)化的作用。

(5)EN采用了鈦、鈮穩(wěn)定化鋼，鈦、鈮可降低馬氏體中的碳含量，增加鋼中鐵素體含量，有利有弊。ASME中未用。

(6)ASME采用了含鉬鋼，鉬會(huì)降低Md溫度，EN中未用。

(7)在同為304，304N，304L類(lèi)型的牌號(hào)中，EN牌號(hào)的強(qiáng)度和塑性指標(biāo)均比ASME稍高。尤其是 EN中按 Rp1.0確定許用應(yīng)力，ASME僅按Rp0.2確定許用應(yīng)力。因而應(yīng)變強(qiáng)化的最大應(yīng)力值σK，EN 的值分別為 ASME 的值的 1.52，1.9，1.37倍?？擅黠@節(jié)省材料用量。

將應(yīng)變強(qiáng)化壓力容器的設(shè)計(jì)溫度上限定為50℃，是因?yàn)樵谳^高溫度下長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)可能會(huì)產(chǎn)生回復(fù)退火，降低應(yīng)變強(qiáng)化所提高的強(qiáng)度。

兩標(biāo)準(zhǔn)所推薦的牌號(hào)僅用于≥－196℃溫度，如用于＜－196℃時(shí)對(duì)材料有更高的要求，如EN 13458－2:2002附件C中要求應(yīng)在最低工作溫度時(shí) Rp0.2≥σK，A5≥25%，KV2≥40 J。

規(guī)定應(yīng)變強(qiáng)化在室溫時(shí)進(jìn)行，但在室溫溫度范圍內(nèi)，具體溫度的高低對(duì)應(yīng)變強(qiáng)化作用的影響仍然很明顯，應(yīng)適當(dāng)控制。

4.3 壓力容器螺栓用低溫鋼

低溫螺栓的特點(diǎn)是在固溶狀態(tài)的棒材基礎(chǔ)上只進(jìn)行機(jī)械切削加工，不進(jìn)行成形、焊接，必要時(shí)可進(jìn)行熱處理或應(yīng)變強(qiáng)化處理，宜采用低溫韌性與強(qiáng)度較高的牌號(hào)。有時(shí)要求較高的抗松弛穩(wěn)定性即抗蠕變性能，以免工作時(shí)易產(chǎn)生應(yīng)力松弛。

一些壓力容器標(biāo)準(zhǔn)與螺栓用材標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定采用的低溫螺栓用奧氏體不銹鋼牌號(hào)列于表14。這些牌號(hào)的特點(diǎn)為:

(1)主要采用18Cr－8Ni及 18Cr－12Ni－2Mo型牌號(hào)，沒(méi)有采用18Cr－12Ni－3Mo型牌號(hào)，僅個(gè)別牌號(hào)采用了高合金牌號(hào)。

(2)多數(shù)牌號(hào)采用了耐腐蝕鋼類(lèi)，部分牌號(hào)采用了抗蠕變鋼類(lèi)，可使螺栓在高應(yīng)力載荷下具有良好的抗應(yīng)力松馳性能。

(3)多數(shù)牌號(hào)的碳含量不高于0.08%，其中部分牌號(hào)要求碳含量下限不低于 0.04%或0.03%。個(gè)別牌號(hào)碳含量上限可達(dá)0.15%或0.12%，以保持較高的強(qiáng)度。

(4)許多牌號(hào)采用了控氮型與中氮型，可提高強(qiáng)度，同時(shí)保持較好的低溫韌性。

(5)采用了18Cr－8Ni型的鈦或鈮穩(wěn)定化鋼，沒(méi)有采用含鉬的穩(wěn)定化鋼。

(6)采用了305型高鎳穩(wěn)定型奧氏體鋼，有很好的低溫韌性。

(7)采用303Se牌號(hào)，含硒后可提高螺栓大批量自動(dòng)化切削加工性能。

(8)部分牌號(hào)含微量硼可提高鋼的抗蠕變性能，也可提高熱加工塑性。

(9)EN 13445:2009中規(guī)定用于－273℃級(jí)的螺栓用材牌號(hào)為 X2CrNiMoN17－13－3(1.4429)和 X6NiCrTiMoVB 25－15－2(1.4980)兩個(gè)牌號(hào)，值得重視。其中1.4980為沉淀硬化型奧氏體不銹鋼。φ22 mm的棒材，在980℃ ×1 h油冷+718℃ ×16 h時(shí)效狀態(tài)，室溫時(shí)Rm可達(dá)1000 MPa，Rp0.2可達(dá)635 MPa，A 可達(dá)24%。－190℃時(shí)KV2=77 J。在900℃ ×5 h油冷+718℃ ×20 h時(shí)效狀態(tài)，厚12.7 mm的板材－190℃時(shí)KV2=77J，－ 269 ℃時(shí) J1C=143 kJ/cm2，K1C=180強(qiáng)度高，低溫韌性好，抗蠕變性能高，抗應(yīng)力松弛性能好，適用于極低溫高載荷的螺栓材料。中、美均有相應(yīng)牌號(hào)。

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5 低溫檢驗(yàn)

5.1 壓力容器用奧氏體不銹鋼材標(biāo)準(zhǔn)中的低溫性能檢驗(yàn)要求

奧氏體不銹鋼用于低溫壓力容器是重要的應(yīng)用領(lǐng)域之一，因此壓力容器用不銹鋼材標(biāo)準(zhǔn)中應(yīng)當(dāng)列出有關(guān)奧氏體不銹鋼材的低溫性能以供設(shè)計(jì)制造中采用。這些低溫性能可有拉伸性能(Rm，Rp0.2，Rp1.0，A 等)、沖擊韌性(KV2，LE)以及物理性能(彈性模量、熱膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率、比熱容等)。這些低溫性能一般都不要求檢驗(yàn)，但鋼材廠(chǎng)應(yīng)有大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)可予保證，使鋼材的用戶(hù)放心應(yīng)用。低溫韌性是低溫壓力容器用奧氏體不銹鋼材最重要的性能，絕大部分國(guó)家主要用KV2值標(biāo)示，美國(guó)主要采用LE值標(biāo)示，有時(shí)也用斷裂韌性K1C標(biāo)示。

各國(guó)壓力容器用不銹鋼材標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)奧氏體不銹鋼低溫性能列出的情況差別甚大。ISO，EN及NF的標(biāo)準(zhǔn)中列出較多，除列出低溫拉伸性能和物理性能外，多數(shù)牌號(hào)都列出－196℃的KV2保證值，NF標(biāo)準(zhǔn)中還列出了部分牌號(hào)－253℃的KV2保證值。BS標(biāo)準(zhǔn)列出了部分鍛件與棒材－196℃的KV2保證值。ASTM標(biāo)準(zhǔn)中僅說(shuō)明少數(shù)管、棒材在一定溫度以上時(shí)可以免檢。中、日、俄等國(guó)的不銹鋼材標(biāo)準(zhǔn)中則沒(méi)有列出低溫?cái)?shù)據(jù)。

不銹鋼材標(biāo)準(zhǔn)中列出了一些典型低溫下可保證的沖擊韌性值，一般都沒(méi)有作為必保檢驗(yàn)要求，而僅作為附加檢驗(yàn)要求。一方面奧氏體不銹鋼材更多地用作耐腐蝕、耐熱及抗高溫蠕變時(shí)并不要求低溫性能，只有用于低溫時(shí)才要求低溫性能;另一方面，即使用于低溫壓力容器，不要求檢驗(yàn)低溫韌性時(shí)，鋼廠(chǎng)也應(yīng)能保證標(biāo)準(zhǔn)中所列的低溫韌性。只有當(dāng)用戶(hù)要求檢驗(yàn)時(shí)，才作為檢驗(yàn)項(xiàng)目。

壓力容器用不銹鋼材標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)奧氏體不銹鋼低溫性能的檢驗(yàn)要求列于表15。對(duì)于同類(lèi)牌號(hào)各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的檢驗(yàn)要求并不相同。所用鋼材標(biāo)準(zhǔn)中的檢驗(yàn)要求應(yīng)不低于所用壓力容器標(biāo)準(zhǔn)中的檢驗(yàn)要求才是可以接受的。

表15 承壓不銹鋼材標(biāo)準(zhǔn)對(duì)奧氏體不銹鋼低溫性能的檢驗(yàn)要求

(續(xù))

5.2 壓力容器標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)奧氏體不銹鋼的低溫性能檢驗(yàn)要求

壓力容器標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)非螺栓構(gòu)件的母材、熱影響區(qū)與焊接應(yīng)分別提出檢驗(yàn)要求。對(duì)螺栓用材有不同的要求，應(yīng)變強(qiáng)化容器與非應(yīng)變強(qiáng)化容器有不同的規(guī)定，列于表16。

表16 壓力容器標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)奧氏體不銹鋼材與焊接接頭低溫性能的檢驗(yàn)要求

(續(xù))

從表11，14和16中比較各國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)對(duì)低溫用奧氏體不銹鋼的牌號(hào)、應(yīng)用溫度及低溫性能的檢驗(yàn)等方面的具體規(guī)定，在許多方面并不相同。

(1)有的標(biāo)準(zhǔn)列出了在一定低溫范圍內(nèi)規(guī)定可應(yīng)用的具體牌號(hào)，有的標(biāo)準(zhǔn)并不規(guī)定具體牌號(hào)。

(2)規(guī)定可以免檢的范圍不同。

(3)低溫韌性多數(shù)用KV2，美國(guó)主要用LE，也用K1C，中國(guó)主要用KV2，有時(shí)也測(cè)LE作參考。

(4)同一牌號(hào)類(lèi)型在同一低溫條件下要求的KV2合格指標(biāo)有高有低。

(5)有的標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)母材、熱影響區(qū)、焊縫的低溫韌性合格指標(biāo)的要求相同，有的標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)焊縫要求的指標(biāo)低于母材。

(6)有的標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定沖擊韌性的檢測(cè)溫度不得高于最低設(shè)計(jì)溫度，這基于沖擊韌性隨溫度降低而降低的規(guī)律。但也有標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定檢測(cè)溫度可高于最低設(shè)計(jì)溫度，甚至可在室溫時(shí)檢測(cè)。

中國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)非螺柱用材沒(méi)有規(guī)定具體牌號(hào)。對(duì)于＜－196℃溫度的檢驗(yàn)還沒(méi)有具體規(guī)定，對(duì)應(yīng)變強(qiáng)化壓力容器也沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)。承壓不銹鋼材料標(biāo)準(zhǔn)中也沒(méi)有低溫性能數(shù)據(jù)。對(duì)低溫奧氏體不銹鋼壓力容器還有許多工作要做。在參考國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)時(shí)也存在一個(gè)選擇問(wèn)題，需進(jìn)行一些較基礎(chǔ)的科研試驗(yàn)工作。

［1］黃嘉琥.超低溫壓力容器用奧氏體不銹鋼(1)［J］.不銹，2012，55(2):3－10.

［2］黃嘉琥.超低溫壓力容器用奧氏體不銹鋼(2)［J］.不銹，2012，56(3):9－17.

［3］GB 18564.1—2006，道路運(yùn)輸液體危險(xiǎn)貨物罐式車(chē)輛第1部分:金屬常壓罐體技術(shù)要求，實(shí)施指南［S］.

［4］中國(guó)特鋼企業(yè)協(xié)會(huì)不銹鋼分會(huì).不銹鋼實(shí)用手冊(cè)［M］.北京:中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2003.

［5］王步美，浦江，陳挺，等.預(yù)拉伸應(yīng)變強(qiáng)化對(duì)S30403奧氏體不銹鋼形變馬氏體相轉(zhuǎn)變的影響［J］.壓力容器，2013，30(8):1－6.

［6］陸世英，等.不銹鋼［M］.北京:原子能出版社，1995.

［7］王非，林英.化工設(shè)備設(shè)計(jì)全書(shū)——化工設(shè)備用鋼［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

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

［9］陳海云，盛水平.S31608奧氏體不銹鋼應(yīng)變強(qiáng)化誘發(fā)馬氏體實(shí)驗(yàn)［J］.壓力容器，2013，30(8):7－14.

［10］黃嘉琥.壓力容器用含氮不銹鋼［J］，壓力容器，2013，30(10):42－53.

(全文完)