低温压力容器用奥氏体不锈钢的材料进展

李兴军

摘 要：奥氏体不锈钢压力容器大多用于耐腐蚀，主要要求耐蚀性，低温应用时基本上不能进行腐蚀的化学反应和电化学反应，因而低温应用时不必考虑耐蚀性。

关键词：低温压力容器；奥氏体不锈钢；进展

中图分类号：TH49 文献标识码：A

压力容器用不锈钢中90%以上为铬镍奥氏体不锈钢，双相不锈钢只占百分之几，很少用铁素体不锈钢，马氏体不锈钢只用作螺栓等非焊件。奥氏体不锈钢具有优良的低温韧性，常用于超低温压力容器，最低可在-273℃时应用。

1 低温压力容器用奥氏体不锈钢

ASME-2011aUHA-51中规定，304、304L、316、316L、321、347以及C≤0.10%的奥氏体不锈钢及其焊接热影响区当用于≥-196℃时可免检冲击试验。GB150焊接中也规定≥-196℃应用的奥氏体不锈钢可免做冲击试验，没有规定具体牌号，当然所用牌号就在GB150-2011所采用的奥氏体不锈钢牌号范围之内。实际上GB150-2011中将设计温度低于-196℃的奥氏体不锈钢制容器才称为低温容器，而设计温度低于-20℃的碳素钢、低合金钢、双相不锈钢和铁素体不锈钢制容器即称为低温容器。

明确规定奥氏体不锈钢用于≥-196℃的牌号的压力容器标准有欧盟EN 13445：2009、德国AD-2000、日本JISB8270-1993等。

2 奥氏体不锈钢的低温性能

压力容器作为承压设备要求适当的强度，奥氏体不锈钢的强度随温度的降低会有所提高，低温容器的强度设计计算一般是按照室温强度为依据的，因此对低温强度也并没有高的要求。奥氏体不锈钢的室温断后伸长率的标准保证值基本上均为30%、35%或40%。常用的18-8和18-12-Mo奥氏体不锈钢在-196℃时也能保证在30%以上，低温压力容器的制造成型一般在室温以上进行，因而对低温塑性也不必过多担心，即低温压力容器的主要失效形式为脆性断裂，一般都对其用材的低温冲击韧性进行控制和检验。奥氏体不锈钢有优良的低温冲击韧性，但冲击韧性会受到一些因素的影响。

3 奥氏体不锈钢低温冲击韧性的影响因素

温度降低时，即使没有相变，奥氏体不锈钢的韧性也会降低，但降低不多，且没有突变。这是由于随着温度下降，抗拉强度提高的很快，而屈服强度提高的并不快，如不含氮的18-8和18-12-Mo随着温度下降，屈强比有所降低，仍可保持较好的韧性和塑性。奥氏体不锈钢受到变形后，即使没有相变，由于滑移变形和孪晶变形，致使位错密度增加，晶格缺陷增多，韧性和塑性也会下降，但降低得也不多。

能使奥氏体不锈钢的韧性显著降低的因素更重要的是马氏体相变。一般认为马氏体为碳在铁素体中的过饱和固溶体，为体心立方晶格，成为α′马氏体，呈铁磁性。另一种形态的马氏体具有密集六方晶格，称为ε相，为非铁磁性。有人认为ε相为奥氏体相变为α′相的中间过渡相，一般主要考虑α′相对韧性的影响。在马氏体相变温度时，合金元素已不能进行扩散，因而属无扩散相变，即通过剪切机构产生大规模有规则的原子排列变化，很短时间内即可迅速完成相变。而奥氏体钢中的马氏体相变与低合金钢淬火成马氏体的情况不同。淬火可使钢中突然全部变成马氏体，奥氏体钢中的马氏体相变过程仅为在奥氏体钢中的马氏体生成量逐渐增加，因而对韧性等性能的影响也是随着生成量的增大而逐渐增大。降温和冷变形是诱发马氏体相转变的外部条件。

奧氏体不锈钢中奥氏体相很稳定时，冷变形后不会或很少析出马氏体，奥氏体相不稳定时（如亚稳定不锈钢）冷变形后很容易析出马氏体。主要的奥氏体形成元素镍、氮等的含量高，可提高奥氏体的稳定性。

α′马氏体为碳在铁素体中的过饱和间隙固溶体，属无扩散相变。马氏体相变前的奥氏体基体中含有多少碳，相变后的马氏体相中就含有多少碳。马氏体相的脆性高低取决于马氏体中过饱和溶解的碳含量，即碳在铁素体中的过饱和度。碳在铁素体中室温溶解度仅为0.006%。而奥氏体不锈钢固溶状态下碳含量常为≤0.08%、≤0.03%、≤0.02%。因此超低碳级奥氏体不锈钢中的马氏体相的韧性要比一般低碳级的钢中的马氏体相的韧性高些。

当奥氏体不锈钢为亚稳定型时，组织中有时会存在少量铁素体（尤为焊缝），也说明其奥氏体化的程度低，奥氏体不稳定，在变形及低温下很易产生马氏体相变。从这一点看，亚稳定型奥氏体不锈钢用作应变强化压力容器用不锈钢是有优点的。

4 低温冲击韧性的检验要求

GB150-2011规定，奥氏体钢材的使用温度≥-196℃时，可免做冲击试验，低于-196℃～-253℃时，由设计文件规定冲击试验要求。设计温度低于-100℃且不低于-196℃的铬镍奥氏体不锈钢制容器的焊接工艺评定中，焊缝金属在不高于设计温度下应满足KV2≥31J（当设计温度低于-192℃时其冲击试验温度取-192℃）。

ASME-2011a中规定，304、304L、316、316L、321、347以及C≤0.10%的奥氏体铬镍不锈钢，在设计温度≥-196℃时，基体金属和焊接热影响区不要求冲击试验。当采用标准的焊接材料，设计温度≥-104℃时，冲击试验可以免检，当设计温度在-104℃～-196℃时，要求在试验温度不高于最低设计温度的侧膨胀值LE≤0.38mm，当设计温度≤-196℃，采用316L型焊接材料时，焊缝铁素体含量应≤5%（磁性法测定）。基体金属、热影响区及焊缝金属应在-196℃时做冲击试验，LE≥0.53mm，当焊接材料没有采用316L型，或当基体金属、焊缝金属或热影响区不能满足上述要求时，可在试验温度不高于设计温度时，按ASTME 1820JIC方法试验。

我国的压力容器标准中还没有对低于-196℃的奥氏体不锈钢低温容器及高于-196℃的应变强化奥氏体不锈钢容器的规定，在参考国外标准时存在以下问题：

推荐应用材料牌号；

冲击试验温度应不高于最低设计温度，还是可以高于最低设计温度；

材料、焊缝及热影响区的检验合格指标；

免检的条件。

参考文献

[1]陆世英.不锈钢概论[M].北京：化学工业出版社，2013.

[2]黄嘉琥.超低温压力容器用奥氏体不锈钢[J].不锈，55（02）：3-10.