低溫壓力容器用奧氏體不銹鋼的材料進展

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，低溫應用時基本上不能進行腐蝕的化學反應和電化學反應，因而低溫應用時不必考慮耐蝕性。

關鍵詞：低溫壓力容器；奧氏體不銹鋼；進展

中圖分類號：TH49 文獻標識碼：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良的低溫韌性，常用于超低溫壓力容器，最低可在-273℃時應用。

1 低溫壓力容器用奧氏體不銹鋼

ASME-2011aUHA-51中規定，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當用于≥-196℃時可免檢沖擊試驗。GB150焊接中也規定≥-196℃應用的奧氏體不銹鋼可免做沖擊試驗，沒有規定具體牌號，當然所用牌號就在GB150-2011所采用的奧氏體不銹鋼牌號范圍之內。實際上GB150-2011中將設計溫度低于-196℃的奧氏體不銹鋼制容器才稱為低溫容器，而設計溫度低于-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。

明確規定奧氏體不銹鋼用于≥-196℃的牌號的壓力容器標準有歐盟EN 13445：2009、德國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備要求適當的強度，奧氏體不銹鋼的強度隨溫度的降低會有所提高，低溫容器的強度設計計算一般是按照室溫強度為依據的，因此對低溫強度也并沒有高的要求。奧氏體不銹鋼的室溫斷后伸長率的標準保證值基本上均為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行，因而對低溫塑性也不必過多擔心，即低溫壓力容器的主要失效形式為脆性斷裂，一般都對其用材的低溫沖擊韌性進行控制和檢驗。奧氏體不銹鋼有優良的低溫沖擊韌性，但沖擊韌性會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，即使沒有相變，奧氏體不銹鋼的韌性也會降低，但降低不多，且沒有突變。這是由于隨著溫度下降，抗拉強度提高的很快，而屈服強度提高的并不快，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，致使位錯密度增加，晶格缺陷增多，韌性和塑性也會下降，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。另一種形態的馬氏體具有密集六方晶格，稱為ε相，為非鐵磁性。有人認為ε相為奧氏體相變為α′相的中間過渡相，一般主要考慮α′相對韌性的影響。在馬氏體相變溫度時，合金元素已不能進行擴散，因而屬無擴散相變，即通過剪切機構產生大規模有規則的原子排列變化，很短時間內即可迅速完成相變。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馬氏體相轉變的外部條件。

奧氏體不銹鋼中奧氏體相很穩定時，冷變形后不會或很少析出馬氏體，奧氏體相不穩定時（如亞穩定不銹鋼）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下碳含量常為≤0.08%、≤0.03%、≤0.02%。因此超低碳級奧氏體不銹鋼中的馬氏體相的韌性要比一般低碳級的鋼中的馬氏體相的韌性高些。

當奧氏體不銹鋼為亞穩定型時，組織中有時會存在少量鐵素體（尤為焊縫），也說明其奧氏體化的程度低，奧氏體不穩定，在變形及低溫下很易產生馬氏體相變。從這一點看，亞穩定型奧氏體不銹鋼用作應變強化壓力容器用不銹鋼是有優點的。

4 低溫沖擊韌性的檢驗要求

GB150-2011規定，奧氏體鋼材的使用溫度≥-196℃時，可免做沖擊試驗，低于-196℃～-253℃時，由設計文件規定沖擊試驗要求。設計溫度低于-100℃且不低于-196℃的鉻鎳奧氏體不銹鋼制容器的焊接工藝評定中，焊縫金屬在不高于設計溫度下應滿足KV2≥31J（當設計溫度低于-192℃時其沖擊試驗溫度取-192℃）。

ASME-2011a中規定，304、304L、316、316L、321、347以及C≤0.10%的奧氏體鉻鎳不銹鋼，在設計溫度≥-196℃時，基體金屬和焊接熱影響區不要求沖擊試驗。當采用標準的焊接材料，設計溫度≥-104℃時，沖擊試驗可以免檢，當設計溫度在-104℃～-196℃時，要求在試驗溫度不高于最低設計溫度的側膨脹值LE≤0.38mm，當設計溫度≤-196℃，采用316L型焊接材料時，焊縫鐵素體含量應≤5%（磁性法測定）。基體金屬、熱影響區及焊縫金屬應在-196℃時做沖擊試驗，LE≥0.53mm，當焊接材料沒有采用316L型，或當基體金屬、焊縫金屬或熱影響區不能滿足上述要求時，可在試驗溫度不高于設計溫度時，按ASTME 1820JIC方法試驗。

我國的壓力容器標準中還沒有對低于-196℃的奧氏體不銹鋼低溫容器及高于-196℃的應變強化奧氏體不銹鋼容器的規定，在參考國外標準時存在以下問題：

推薦應用材料牌號；

沖擊試驗溫度應不高于最低設計溫度，還是可以高于最低設計溫度；

材料、焊縫及熱影響區的檢驗合格指標；

免檢的條件。

參考文獻

[1]陸世英.不銹鋼概論[M].北京：化學工業出版社，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.