Una guía de materiales para recipientes a presión criogénicos (segunda parte)
2. Composición química
Para aceros utilizados pararecipientes a presión criogénicos, aumentar el contenido de carbono aumentará la fragilidad del material y la temperatura de transición frágil. Por lo tanto, el contenido de carbono del acero de baja temperatura no debe exceder el 0,2 %. En los últimos años, ha habido una tendencia de desarrollo y aplicación que utiliza acero con bajo contenido de carbono (< 0,15 %) o micro carbono (< 0,06 %).
El manganeso es un elemento que agranda la región austenítica. El aumento del contenido en manganeso permite que el acero obtenga granos finos y tenaces de ferrita y perlita, mejorando así la tenacidad del acero a bajas temperaturas. Cuando el contenido de carbono es constante, el aumento de la relación manganeso-hierro puede resultar en una baja temperatura de transición nulo-dúctil. Cuando se reduce el contenido de carbono y aumenta la relación manganeso-carbono, la temperatura de transición nulo-dúctil disminuye y la temperatura de uso permisible de la lámina de acero disminuye.
El níquel también es un elemento importante para mejorar la tenacidad a baja temperatura del acero, incluso mejor que el manganeso. Cuando el contenido de níquel es del 3,5 %, el acero puede mantener una alta tenacidad a -100 °C, mientras que el acero que contiene un 9 % de níquel puede resistir temperaturas bajas de -196 °C y utilizarse como contenedor de nitrógeno líquido.
3. Tamaño de grano
El tamaño del grano es otro factor que puede afectar en gran medida la fractura frágil del acero por baja tensión. El grano fino no solo hace que el metal tenga una mayor resistencia a la fractura, sino que también reduce la temperatura de transición frágil. Esto se debe a la presencia de impurezas y fases quebradizas en el límite de grano, que a menudo es la causa de las grietas.
El refinamiento del grano, por un lado, hace que la fase frágil por unidad de área sea relativamente reducida, aumenta la energía superficial, disminuye la probabilidad de fisuración y su expansión, mejorando así la resistencia a baja temperatura del acero a la fractura frágil. Por otro lado, el rendimiento del acero de grano fino es relativamente uniforme, lo que reduce la temperatura de transición frágil.
4. Inclusiones
El fósforo es propenso a la segregación en los límites de grano, y el oxígeno en el acero precipita en los límites de grano en forma de varios óxidos, los cuales aumentan en gran medida la temperatura de transición frágil del acero, lo que da como resultado una fractura frágil de baja tensión. Por lo tanto, el acero de baja temperatura debe desoxidarse completamente. Por ejemplo, la tenacidad a baja temperatura del acero calmado es mejor que la del acero hirviendo, si se utilizan silicio y aluminio, o aluminio y titanio (vanadio, niobio) para la desoxidación, el grano se puede refinar aún más y su baja temperatura la tenacidad es mejor.
Una desoxidación suficiente no solo puede reducir de manera efectiva el contenido de oxígeno, azufre, fósforo y otros gases, sino también esferoidizar las inclusiones, reducir la acumulación de dislocaciones y, por lo tanto, reducir la temperatura de transición frágil del acero.
Las pruebas han demostrado que la fragilidad a baja temperatura de los metales muy puros es independiente del tipo de grano. Por ejemplo, el hierro puro sin carbono, nitrógeno, oxígeno o boro es plastificable incluso a una temperatura baja de 4K. Sin embargo, las impurezas (especialmente la fase frágil del límite de grano) tienen una gran influencia en la fractura frágil de baja tensión. Una pequeña cantidad de carbono, oxígeno y nitrógeno en la aleación de hierro-cromo con 25% de Cr, por ejemplo, es una razón importante para causar la fractura frágil por baja tensión.
5. Tratamiento térmico
El tratamiento térmico tiene una gran influencia en la fractura frágil del acero por baja tensión. El temple y el revenido son métodos comunes para obtener estructuras de ferrita y carburo granular, que pueden mejorar significativamente la tenacidad a baja temperatura del acero. Sin embargo, a medida que aumenta la temperatura de revenido durante el tratamiento de templado y revenido, la agregación de los carburos granulados afecta negativamente la tenacidad a baja temperatura, por lo que la temperatura de revenido durante el tratamiento de revenido debe controlarse estrictamente.
La normalización es el método de tratamiento térmico más común para el acero de baja temperatura. Si aumentan los elementos de aleación en el acero, la temperatura de normalización debe aumentarse en consecuencia. La estructura recocida del acero es más gruesa que la estructura normalizada, y su tenacidad a baja temperatura es mucho peor que la del tratamiento normalizado o templado y revenido. Por lo tanto, el acero para la criogénicano está recocido. en el caso de unrecipiente a presión criogénicoy sus componentes presurizados que requieren tratamiento térmico posterior a la soldadura, la temperatura del tratamiento térmico posterior a la soldadura no debe exceder la temperatura de revenido del acero bajo ninguna circunstancia.
El tratamiento térmico también inhibe la precipitación de la fase frágil del borde del grano, cambia la morfología, el tamaño, la cantidad, la distribución de la fase precipitada, la estructura uniforme y mejora la resistencia y la tenacidad a baja temperatura del acero. Una cierta cantidad de austenita o ferrita retenida en la estructura templada (martensita templada) puede prevenir eficazmente la expansión de grietas.
Para aceros utilizados pararecipientes a presión criogénicos, aumentar el contenido de carbono aumentará la fragilidad del material y la temperatura de transición frágil. Por lo tanto, el contenido de carbono del acero de baja temperatura no debe exceder el 0,2 %. En los últimos años, ha habido una tendencia de desarrollo y aplicación que utiliza acero con bajo contenido de carbono (< 0,15 %) o micro carbono (< 0,06 %).
El manganeso es un elemento que agranda la región austenítica. El aumento del contenido en manganeso permite que el acero obtenga granos finos y tenaces de ferrita y perlita, mejorando así la tenacidad del acero a bajas temperaturas. Cuando el contenido de carbono es constante, el aumento de la relación manganeso-hierro puede resultar en una baja temperatura de transición nulo-dúctil. Cuando se reduce el contenido de carbono y aumenta la relación manganeso-carbono, la temperatura de transición nulo-dúctil disminuye y la temperatura de uso permisible de la lámina de acero disminuye.
El níquel también es un elemento importante para mejorar la tenacidad a baja temperatura del acero, incluso mejor que el manganeso. Cuando el contenido de níquel es del 3,5 %, el acero puede mantener una alta tenacidad a -100 °C, mientras que el acero que contiene un 9 % de níquel puede resistir temperaturas bajas de -196 °C y utilizarse como contenedor de nitrógeno líquido.
3. Tamaño de grano
El tamaño del grano es otro factor que puede afectar en gran medida la fractura frágil del acero por baja tensión. El grano fino no solo hace que el metal tenga una mayor resistencia a la fractura, sino que también reduce la temperatura de transición frágil. Esto se debe a la presencia de impurezas y fases quebradizas en el límite de grano, que a menudo es la causa de las grietas.
El refinamiento del grano, por un lado, hace que la fase frágil por unidad de área sea relativamente reducida, aumenta la energía superficial, disminuye la probabilidad de fisuración y su expansión, mejorando así la resistencia a baja temperatura del acero a la fractura frágil. Por otro lado, el rendimiento del acero de grano fino es relativamente uniforme, lo que reduce la temperatura de transición frágil.
4. Inclusiones
El fósforo es propenso a la segregación en los límites de grano, y el oxígeno en el acero precipita en los límites de grano en forma de varios óxidos, los cuales aumentan en gran medida la temperatura de transición frágil del acero, lo que da como resultado una fractura frágil de baja tensión. Por lo tanto, el acero de baja temperatura debe desoxidarse completamente. Por ejemplo, la tenacidad a baja temperatura del acero calmado es mejor que la del acero hirviendo, si se utilizan silicio y aluminio, o aluminio y titanio (vanadio, niobio) para la desoxidación, el grano se puede refinar aún más y su baja temperatura la tenacidad es mejor.
Una desoxidación suficiente no solo puede reducir de manera efectiva el contenido de oxígeno, azufre, fósforo y otros gases, sino también esferoidizar las inclusiones, reducir la acumulación de dislocaciones y, por lo tanto, reducir la temperatura de transición frágil del acero.
Las pruebas han demostrado que la fragilidad a baja temperatura de los metales muy puros es independiente del tipo de grano. Por ejemplo, el hierro puro sin carbono, nitrógeno, oxígeno o boro es plastificable incluso a una temperatura baja de 4K. Sin embargo, las impurezas (especialmente la fase frágil del límite de grano) tienen una gran influencia en la fractura frágil de baja tensión. Una pequeña cantidad de carbono, oxígeno y nitrógeno en la aleación de hierro-cromo con 25% de Cr, por ejemplo, es una razón importante para causar la fractura frágil por baja tensión.
5. Tratamiento térmico
El tratamiento térmico tiene una gran influencia en la fractura frágil del acero por baja tensión. El temple y el revenido son métodos comunes para obtener estructuras de ferrita y carburo granular, que pueden mejorar significativamente la tenacidad a baja temperatura del acero. Sin embargo, a medida que aumenta la temperatura de revenido durante el tratamiento de templado y revenido, la agregación de los carburos granulados afecta negativamente la tenacidad a baja temperatura, por lo que la temperatura de revenido durante el tratamiento de revenido debe controlarse estrictamente.
La normalización es el método de tratamiento térmico más común para el acero de baja temperatura. Si aumentan los elementos de aleación en el acero, la temperatura de normalización debe aumentarse en consecuencia. La estructura recocida del acero es más gruesa que la estructura normalizada, y su tenacidad a baja temperatura es mucho peor que la del tratamiento normalizado o templado y revenido. Por lo tanto, el acero para la criogénicano está recocido. en el caso de unrecipiente a presión criogénicoy sus componentes presurizados que requieren tratamiento térmico posterior a la soldadura, la temperatura del tratamiento térmico posterior a la soldadura no debe exceder la temperatura de revenido del acero bajo ninguna circunstancia.
El tratamiento térmico también inhibe la precipitación de la fase frágil del borde del grano, cambia la morfología, el tamaño, la cantidad, la distribución de la fase precipitada, la estructura uniforme y mejora la resistencia y la tenacidad a baja temperatura del acero. Una cierta cantidad de austenita o ferrita retenida en la estructura templada (martensita templada) puede prevenir eficazmente la expansión de grietas.
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