低温钢及其低温韧性研究现状

张丽红　陈芙蓉

摘要：介绍了低温钢国内外发展状况及应用中易出现的安全问题，阐述了韧性断裂与脆性断裂的区别、韧脆转变及低温脆性断裂机理，重点从工艺角度、显微组织、力学方法、电子背散射衍射分析技术和小冲杆试验等不同角度综述评定低温钢低温韧性的关键技术，并阐述了低温钢焊接需注意的问题。

关键词：低温钢;低温韧性;低温钢焊接

中图分类号：TG404 文献标志码：A 文章编号：1001-2303（2020）12-0088-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.12.18

0 前言

近几十年来，随着压力容器的大型化、厚截面压力容器的增多，以及化工、石油工业中低温压力容器的使用，低温钢用量大大增加，使低温脆断事故时有发生，引起世界各国低温学者的关注。研究低温下的断裂行为及脆断机理，对于指导低温压力容器的安全设计及实际生产具有重要的指导意义。

通过大量事故调查分析得出低应力脆断的特点有：（1）低温脆断多属于解理断裂或准解理断裂，断口光亮而平滑;（2）断裂通常出现在低温下，此时材料韧性较差;（3）断裂时构件处于低载荷工作状态，断裂应力并未超出材料的屈服强度，断裂很少发生塑性变形;（4）低应力脆断常发生在有缺口或裂纹的部位;（5）断裂时裂纹呈现出较快的扩展速率。

1 低温钢及其应用介绍

目前，各国应用的低温钢大体可分为两大部分：一是服役在高于-40 ℃（或-45 ℃）的铝镇静C-Mn钢和调质型高强度钢;二是在低于-40 ℃（或-45 ℃）至-196 ℃使用的含Ni系列低温钢（包含用于-70～

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

欧洲通用的低温钢有11MnNi5-3、A-286、13MnNi6-3、15NiMn6、12Ni14、X12Ni5、X8Ni9、X7Ni9、Inconel7l8、InconelX-750，用于高强度的低温设备建造[4]。2.3%Ni钢是美、日等一些发达国家-70 ℃服役环境下的首选钢种;0.5%Ni钢是欧洲一些国家在-70～-60 ℃工作环境下应用的主要钢材[5]。美国及欧洲国家已将3.5%Ni钢和5%Ni钢进行了全面推广，对应指标均达到相应规定。1944年美国国际镍公司的产品研究实验室研发Ni含量为9%的中合金钢，最低应用温度可达-196 ℃[6]。

我国研发了从-40 ℃到-253 ℃的无镍低温用钢：如-70 ℃用09MnTiCuRe、09Mn2V;-90 ℃用的06MnNb;-120 ℃用的06AlNbCuN、06AlCu等，但由于种种原因，这些低温钢并未获得推广应用[7]。前几十年国内化工、能源等行业缺少能服役于-70～-40 ℃环境的低温用钢，一般采取进口的形式来弥补。为此国内钢厂着手研发了-70 ℃级09MnNiDR钢，与3.5Ni，9Ni钢相比，其Ni含量大大下降，材料成本明显降低。

有资料表明，采矿业、建筑施工和运输等行业用的仪器和设备随着工作温度的降低（由20 ℃降至-60 ℃），机器零件产生裂纹的几率明显增加。低温脆断现象在一些管道、压力容器、化工设备、船舶、以及大型焊接结构中频繁发生，经济损失惨重[8]。经调查分析发现，低温脆断多属于解理断裂或准解理断裂，断裂时构件处于低载荷工作状态，断裂应力并未超出材料的屈服强度，且裂纹的扩展速率较快。由此可见，作为低温钢，很重要的一个技术指标就是抗低温脆断性能。

2 低温断裂机理

2.1 韧断与脆断

研究证实，脆性斷裂与韧性断裂是相对的，在发生脆性断裂时也会出现一定的塑性变形，韧断与脆断的主要特点是[9]：

（1）韧性断裂是构件经过大量变形后发生的断裂。主要条件是超过工作压力，主要特征是发生了明显的宏观塑性变形（不包括压缩失稳），且产生延性断裂。断口一般能见纤维区和剪唇区。形成纤维区断口的断裂机制一般是“微孔聚合”，在电子显微镜中呈韧窝状花样。剪切唇总是在断口边缘，并与构件表面约成45°夹角，是在平面应力受力条件下发生剪切撕裂而形成的断口，剪切唇表面较光滑，断裂时的名义应力高于材料的屈服强度。

（2）脆性断裂是构件未经明显的变形而发生的断裂。断裂时材料几乎未发生过塑性变形，其脆性是引起构件脆断的重要原因。材料内部在冶炼、轧制、热处理等各种制造过程中不可避免地产生某种微裂纹，在无损探伤检验时又未被发现。那么在使用过程中，由于应力集中、疲劳、腐蚀等原因，裂纹会进一步扩展。当裂纹尺寸达到临界尺寸时，就会发生低应力脆断的事故。

通常情况下，滑移变形的撕裂会出现韧窝，所消耗的能量也会更大。而解理断裂一般为脆性，断裂能量被转化为表面能。因此，当发生了撕裂、微孔聚集，以及准解理变成解理，会呈现出明显的韧脆转变。

2.2 韧脆转变

分析脆断事故可知，温度对金属结构性能的转变的影响较大，大部分断裂事故发生时都处于低温状态。对于低温钢而言，低温断裂存在一定的温度界限（通常称为韧-脆转变温度），此温度以下断裂具有脆性断裂特征，而此温度以上断裂属于韧性断裂，脆性断裂和韧性断裂的表现形式不同，但是断裂的决定因素都是裂纹扩展的力。

通过作用于金属材料上的力，在材料内部产生位错，并使位错产生滑移，引发屈服，直至临界状态，裂纹萌生，扩展至断裂。

2.3 低温脆性转变机理

由于低温脆性严重影响材料的正常使用，因此低温脆性转变机理也成为材料学研究中的热点，相关理论相当丰富[10-14]，如表1所示。不过正是由于观点众多，未能达成一致，还需进行进一步探讨。

3 低温钢低温韧性研究现状

3.1 工艺角度

目前，从工艺角度评定低温钢的低温韧性的方法主要有Gleeble焊接热模拟技术、热处理技术以及改变化学成分等。

（1）Gleeble焊接热模拟技术。

Gleeble热模拟技术可以模拟热影响区在不同热输入、不同峰值温度下的性能变化情况，从而为制定焊接工艺提供一定的依据。西安石油大学的高聪[15]采用Gleeble-1500试验机对9Ni钢进行热模拟，针对9Ni钢焊接热影响区的组织脆化、断裂韧性进行研究，有助于9Ni钢焊接时焊接工艺参数与母材的选择。符中欣[16]采用Gleeble-1500试验机对9Ni钢进行两道焊接热模拟，发现经过二次热循环后夹在在过临界粗晶区细小组织对“脆化带”的低温韧性起到明显的改善作用。

（2）热处理技术。

双相区热处理+回火是学者们普遍采用的提高低温韧性的热处理方法。昆明理工大学的崔黎辉[17]采用双相区热处理+回火对9NiCrMo钢进行热处理后发现，9NiCrMo钢中逆转奥氏体含量明显增加，大大提高了其低温韧性。李国明[18]采用不同的热处理研究9Ni钢的组织与性能，结果表明当采用双相区热处理+回火的热处理方式时，回火时间足够长，低温韧性也随之升高。

（3）改变化学成分。

化学成分的改变对低温韧性也有较为明显的影响。山东大学的李帅[19]通过B-Ni复合添加Q345E钢，在-10 ℃到-70 ℃进行低温冲击试验，结果发现B-Ni复合添加显著地提高了钢材的低温韧性。

3.2 显微组织

在显微组织对低温韧性的影响方面，相关研究表明，回转奥氏体能够提高低温韧性，主要通过净化基体、局部相变诱发塑性和裂纹尖端钝化效应三种途径;而M-A组元则会降低低温韧性，主要是由于M-A组元含碳量高，硬度很高，是潜在的裂纹源，起着吸氢和引起应力集中的作用[20]。学者们一般结合热处理技术研究组织对低温韧性的影响，即通过一定的热处理避免或降低M-A组元的产生，从而确保得到回转奥氏体。

3.3 力学方法

（1）Charpy冲击试验。

Charpy冲击试验是评定金属材料韧性的重要方法，利用能量法则，通过冲击功值能够确定低温钢的韧-脆转变温度，同时通过观察断口形貌能够分析判断低温钢的断裂方式。肖银生等人[21]通过冲击试验研究09MnNiDR钢埋弧焊焊接接头低温韧性的变化规律，使低温韧性得到有效控制。

（2）CTOD试验。

CTOD试验适用范围广，在实践工程中应用普遍。钢铁研究总院的阿荣[22]采用CTOD试验评定气电立焊焊缝低温韧性是否合格。昆明工業大学的李道钢[23]通过CTOD试验评定9Ni钢焊接接头各区域低温韧性，结果发现韧性全部达到相关标准要求且较高。

3.4 电子背散射衍射分析技术（EBSD）

EBSD技术是一种新型的、有效的材料显微组织晶体学特征的研究方法。该技术能分析样品的亚微米级尺度，了解其晶体结构，研究晶界特性、真实晶粒尺寸、晶体学取向、并评估材料的失效机理、断裂机制。兰州理工大学的王哲[24]利用EBSD技术观察低碳贝氏体钢裂源处贝氏体团、奥氏体晶粒的尺寸及大角度晶界的尺寸，研究焊缝金属中枝晶形态对冲击韧性的影响。昆明理工大学的邓灿明[25]利用EBSD技术分析板条状马氏体钢中各亚结构界面的强化作用，结果证实，大角度界面能够强化0.2C-2Mn钢多尺度结构。

3.5 小冲杆试验（SPT）

SPT是通过试验方式来统计材料相关数据的有效方法。它主要是利用一种圆头冲杆并以一定的速度冲压薄片试样，记录采集从试样发生形变开始直至失效断裂的数据，从而分析材料的蠕变性能、韧性、强度以及塑性等。可以近似于无损的用于评定在役设备的性能。研究内容已扩展到材料的冲击韧性和断裂韧性，如华东理工大学的陈建涛[26]和喻灿[27]采用SPT试验评定材料的低温韧性和JIC经验。

4 低温钢焊接

对于低温钢焊接而言，焊接性研究的重点是保证焊接接头的低温韧性和防止焊接裂纹。为此低温钢在焊接过程中应合理地选择焊接材料、控制焊接热输入和焊接裂纹。

4.1 焊接材料的选择

对于低温钢而言，焊接材料的选择原则是焊接金属具有与母材相匹配的低温韧性，尽量减少扩散氢的含量。低温用脱氧钢及使用温度低的Ni系低温钢（如2.5%Ni）的焊接，可采用铁素体系共晶焊接材料以提高焊缝金属的低温韧性;然而对于使用温度更低的低温钢，如9%Ni低温钢，则需采用含Ni量较高的焊接材料[28]。

4.2 焊接热输入的控制

焊接热输入对焊接接头低温韧性有着极大的影响，不同的焊接方法热输入量不同。焊接低温钢常用的焊接方法主要有焊条电弧焊、埋弧焊和钨极氩弧等。焊条电弧焊的热输入量约为18～30 kJ/cm，埋弧焊的热输入约在10～22 J/cm，而钨极氩弧焊的热输入在9～15 kJ/cm范围内。一般而言，热输入越小，焊接接头的低温韧性就越高。通常通过选择合适的焊接方法、采用多层多道焊等措施限制热输入量，以提高焊接接头的低温韧性。

4.3 焊接裂纹的控制

低温钢焊接接头常见的裂纹为焊接冷裂纹，为防止其产生，应适当控制母材和焊接材料中C、S和P的含量，调整Ni和Mn的添加量;在许可范围内，适当增加焊接热输入;同时还应注意焊缝中扩散氢的含量。

5 结论

（1）低温钢很重要的一个技术指标就是抗低温脆断性能。

（2）学者们主要从工艺角度、显微组织分析和力学性能试验等方面评定低温钢低温韧性。

（3）焊接材料、热输入的选择及焊接裂纹的控制是提高低温钢焊接接头低温韧性关键因素。

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收稿日期：2020-07-01

基金项目：内蒙古自治区高等学校科学研究项目（NJZY18277）;内蒙古机电职业技术学院科研项目（NJDZJZR1707）

作者简介：张丽红（1983— ），女，博士，副教授，主要从事低温钢低温韧性的研究。E-mail：zlhong820@sina.com。

通讯作者：陈芙蓉（1971— ），女，教授。E-mail：cfr7075@imut.edu.cn。