低温钢的化学成分和力学性能

出处：按学科分类—工业技术 河北科学技术出版社《实用焊接技术手册》第507页（2587字）

低温钢要求其在低温工作条件下具有足够的强度、塑性和韧性，同时应具有良好的制造工艺性能，对应变时效脆性和回火脆性的敏感性小，主要用于制造－20～－253℃低温下工作的焊接结构。

(一)低温钢的分类

(1)按使用温度等级分类 分为－10～－40℃、－50～－90℃、－100～－120℃和－196～－273℃等级低温钢。

(2)按合金含量和组织分类 分为低合金铁素体型低温钢，中合金低碳马氏体型低温钢和高合金奥氏体型低温钢。

(3)按有无镍、铬元素分类 分为无镍、铬低温钢和含镍、铬低温钢。

(4)按热处理方法分类 分为非调质低温钢和调质低温钢。

(二)低温钢的化学成分和组织

1．铝镇静Si－Mn钢及低合金铁素体低温钢

Si－Mn钢是先用Si、Mn进行脱氧，再用铝进行强烈脱氧的优质钢种。若将此类钢进行正火处理或淬火+回火处理，可细化晶粒，明显提高其低温韧性。这种钢多用于－40℃以下的结构。

低合金铁素体低温钢是在上述Si－Mn优质钢基础上，加入少量的合金元素(如Nb、V、Ti、Al、Cu、Re等)得到的低合金高强度低温钢。合金元素总量≤5%，组织为铁素体加少量珠光体。这种钢含碳量低、合金元素少，具有高的塑性和韧性，多用于－50℃以下的结构。如16MnR、09MnTiCuRe、06AlCu、06AlCuNbN等。

为了提高钢的低温性能，可加入Ni元素，形成含Ni的铁素体低温钢，如1．5%Ni钢、2．5%Ni钢、3．5%Ni钢以及5%Ni钢等。此外应尽量降低钢中的杂质元素(如S、P、As、Sn、Bi等)及有害气体元素(如N，H，O)的含量，防止产生冷脆性、时效脆性和回火脆性等。

2．中合金低碳马氏体低温钢

9%Ni钢是典型的中合金低碳马氏体低温钢。合金元素总含量为5%～10%，其组织与热处理工艺有关。9Ni钢具有一定的回火脆性敏感性，并随着P含量的增加而显着增加，因此应严格控制钢中的P含量。

在9Ni钢基础上研制出的5%Ni钢，通过化学成分调整和热处理控制组织，使之在－162～－196℃的低温下具有与9%Ni钢相近的低温韧性。通过加入0．25%的Mo，增加析出奥氏体的数量并使之稳定化，还可起到细化晶粒的作用。采用淬火、回火和回复退火的热处理方法来控制组织，使5%Ni钢具有高的强度、塑性和低温韧性。

3．高合金奥氏体低温钢

这类低温钢的合金元素总含量大于10%，组织为奥氏体。钢中含有较高的奥氏体化元素，得到稳定的奥氏体组织，具有优良的低温韧性，可在－196～－269℃的低温条件下保持很高的韧性。奥氏体低温钢分Ni－Cr奥氏体低温钢和无Ni－Cr奥氏体低温钢两类。

Ni－Cr奥氏体低温钢中含有18%Cr和9%Ni。这类钢的碳含量很低，几乎都是低碳和超低碳的。此外，加入少量的强碳化物形成元素Ti和Nb，降低钢中碳的不利作用。Ni－Cr奥氏体低温钢通常在1050～1080℃固溶处理后使用。对于含Ti或Nb的低温钢，在固溶处理后再经850～900℃×2h处理，使固溶的Ti或Nb与碳结合成TiC或NbC，以保证钢的耐腐蚀性，不出现晶间腐蚀现象。

20Mn23Al是含有23%～26%Mn和1%～4%Al的无Ni－Cr奥氏体低温钢，Mn是奥氏体形成元素，用以代替Ni起稳定奥氏体的作用，获得与Ni－Cr奥氏体低温钢相近的低温韧性，可在－196～－253℃低温下使用。这种钢也是经1100℃固溶处理后使用。

常用低温钢的温度等级和化学成分见表2－3－70。

表2－3－70 国内常用低温钢的温度等级和化学成分(%)^［13］

(三)低温钢的力学性能

低温钢焊接结构的使用性能，首先应满足低温条件下的力学性能，特别是低温条件下的冲击吸收功。尤其是脆性转变温度，应当在允许的数值之内。

国外含镍低温钢的化学成分和力学性能见表2－3－71。常用低温钢的力学性能见表2－3－72。

表2－3－71 国外含镍低温钢的化学成分和力学性能^［1，3］

表2－3－72 常用低温钢的力学性能^［13］

低温钢的含碳量不高，在常温下具有较好的塑性和韧性，冷或热加工工艺均可采用。铁素体低温钢及低碳马氏体低温钢的加工工艺性能与低碳钢及低合金钢相近；奥氏体低温钢的加工工艺性能与奥氏体不锈钢相近。

对于具有一定时效脆性敏感性和回火脆性敏感性的低温钢，须严格控制和正确选择加工方法和工艺参数，控制冷卷、冷压及其他冷加工时的变形量，防止变形量过大而造成低温韧性的下降。对于具有一定回火脆性敏感性的钢种，回火后低温韧性明显下降，如06AlCuNbN钢经550～650℃回火后，在－100℃时的V形缺口冲击值从151．9J急剧下降到17．6～9．8J。因此应合理地选择回火温度和回火时间。