如何选取低温材料

如何选取低温材料

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耿士江 浙江开山银轮换热器有限公司 浙江 衢州 324000

何寅. 浙江开山压力容器有限公司 浙江 衢州 324000

摘要：中国经济的崛起和腾飞，在更多方面有能力帮助别国，而且能够向世界提供更多的技术和设备。在一带一路的指引下，近年来中俄合作日趋紧密，在一些领域开展密切合作，尤其在工业技术设备上，在长期寒冷的地区为了确保质量的前提下节约成本，合理选用钢材原材料上尤其重要。

关键词：低温材料；选材

1.低温选材的必要性

随着温度的减低，强度指标（如屈服极限、强度极限）增加，塑性和韧性指标（如冲击韧性、延伸率）下降，显现脆的性质，有些材料体方晶格在温度降低时韧性下降很快，低温下使用时危险性很大，在寒冷地带的机械设备带来很大的危害及影响。

2.低温材料选用方法

该如何合理的选用原材料，我们以选取Q345E满足在-49℃的环境下使用的材料为案例进行选取一系列的验证。

低温钢一般指在-40℃一下应用的合金钢，包括铁素体钢（低碳锰钢，镍钢）和奥氏体不锈钢，铁素体一般都存在韧性-脆性转变温度，当温度降低至某个临界值时，材料的韧性就会突然下降，为了使材料能在低温下正常使用我们将做如下可行性的试验论证。

首先要考虑的是材料的材质含量，含碳量的增加使得碳素钢的强度和硬度增加，塑性和韧性性能下降，合理控制含碳量 0.25%为界，低温下含量过大趋向于冷脆，结构件一般选用低于0.25%的碳素结构钢。含硅量超过3%时，显著降低刚的塑性，韧性，延展性容易导致冷脆。硫和氧主要影响热脆。磷，砷，锑作为杂质元素，对碳素钢的抗拉强度有一定的做用，但是又增加钢的脆性，尤其是低温脆性。一般来说钨加入低碳和中碳高级优质合金结构钢中，能显著提高钢的强度和韧性。锰在钢中由于能降低临界转变温度，故碳锰钢的低温冲击韧性比碳素钢要好。铬含量的增加对冲击韧性有着不利的影响。铝可以细化晶粒的作用，固可以提高在低温下的韧性作用。钼可只是以提高钢热强性最有效的元素。

镍能细化铁素体晶粒，改善钢的低温性能，含镍量超过一定值得碳钢，其低温催化转变温度显著降低，而低温冲击性能显著提高，因此镍在低温材料中起到非常重要的作用。钛在碳化钛的存在下有细化晶粒的作用，有助于韧性效果。

那么根据材质，我们选取碳素结构钢Q345为原材料。

以上选择只是一个抽象的概念参考，实际上我们需要对选用的材料做一些关键的试验，来确定材料是否合适。在一定低温下模拟试验数据来确定是否满足使用的条件。那就是机械性能试验了。

首先就是低温冲击功试验，根据标准GB/T229-2007要求在指定的温度范围内做低温冲击功试验，获得的数据满足标准规定即可。一般来说国标比较保守，比如Q345E在标准中只建议在-40℃下使用，处于经济性的考虑，我们通过自行试验来测定其是否满足在-49摄氏度环境下使用。

我们根据GB/T229-2007的标准要求，进行标本材料的制作。冲击式样长度为55mm ,横截面为10mmx10mm的方形截面，我们取样为槽钢型材，厚度没有10mm,我们可以将厚度改为5mm,冲击后的数值，我们可以乘以2倍来计数。按照标准要求在式样的中间加工V型缺口。在-49摄氏度的情况下，分别委托机构SGS做了两组的试验达到了均值为80和100J的冲击功值，根据标准Q/BB 131-014(或其他国标也可以）要求大于等于27J即可。

如果遇到焊接情况的话，要按照焊材选用规定选用焊材外，还要制作焊接试件，不仅对试样进行做低温冲击试验，还要针对焊接式样进行拉伸试验确定其抗拉强度和屈服强度，弯曲试验验证其本身的塑性和完好性是否符合NBT-47014标准。

低温焊材不论是选用还是验证对于产品的可靠性都是非常关键的环节，根据工作温度一般分为-40、-50、-75、-100、-196等。焊材与母材的强度韧性应该相当相近，确保焊缝与母材有相当的力学性能，满足力学性能。为了确保焊缝与母材低温性能接近，就必须保证焊缝化学成分与母材化学成分相近，同时也是保证焊缝与母材膨胀系数相近的唯一办法，当然在同类焊条无法匹配情况下，在满足使用前提下，允许化学成分存在差异。

3.低温材料选用的意义

以上论述重在方法方式，在借鉴使用之前，务必根据具体情况而为，在低温环境下新的一种产品的设计开发之前，结合产品特性，材料的选用依据标准结合试验，合理科学的选用材料不仅可以做到节约成本，还可以确保产品的可靠性。

参考文献：

1. 贾耀卿.常用金属材料手册（上 第3版）[M].中国标准出版社,2015.

[2] GB/T229-2007.金属材料夏比摆锤冲击试验方法[S].

[3] Q/BB 131-2014 .本钢集团有限公司企业标准[EB/OL].

[4] NBT-47014-2011 .承压设备焊接工艺评定[S].

[5] ASME Ⅸ-2015 焊接 钎接和粘接工艺评定的技术规定均为合格。

[6]王学武.金属材料与热处理 机械工业出版社。