低温钢材的韧性要求
寒冷地区钢材的选用
钢结构基本原理及设计课程专题报告严寒地区结构钢材的选用专业土木工程学号学生教师日期严寒地区结构钢材的选用（以铁塔为例进行说明）【摘要】提高寒冷地区抗脆断能力的要求，是为了使设计人员重视钢结构可能发生脆性破坏事故。
由于对国产建筑钢材在不同工作条件下的脆断问题还缺乏深入研究，规范条文的内容主要来自前苏联的资料，同时亦参考了其他国内外的有关资料。
前苏联严寒地区面积大，出现脆断事故的机会较多。
根据对事故调查的结果，格构式桁架结构占事故总数的48%，而梁结构仅占18%，板结构占34%，可见桁架结构容易发生脆断。
我国低温地区钢桁架、储液罐等也曾发生过脆断事故。
这些资料在定量的规定上差别较大，很难直接引用，但在定性方面即概念设计中却有一些共同规律。
因此规范在焊接构件的板厚、构造及结构施工等方面提出了防止脆断发生的措施。
【关键词】严寒地区钢材选用1 严寒地区钢材选用问题的提出背景在提出问题之前，首先有必要搞清楚各种温度区的准确定义。
宏观上人们依据纬度的高低（更准确地说是地球在公转当中与太阳的关系）把地球自北向南划分为北寒带、北温带、热带、南温带、南寒带，我国绝大部分地区属于从北极圈（北纬66°30′）～北回归线（北纬23°30′）的北温带，属于温带气候；常规和习惯上依冬季的温度高低，人们又把温度区划为寒冷、严寒等地区，而各种温度区的划分和准确定义，均来自于国家标准《采暖通风与空气调节设计规范》（GBJ19－81）的2001 年版。
为了对本文叙述的需要，并使读者了解各种温度划分的定义和标准，现将该国家规范的有关室外气象温度参数的标准定义内容介绍如下：严寒地区：累年最冷月平均温度T≤－10℃的地区定义为严寒地区，我国东北、华北的北纬40°30′以上的地区（即大致鞍山－张家口－大同－呼和浩特连线以北）以及陕西省榆林、甘肃省山丹和青海省格尔木均属严寒地区。
寒冷地区：累年（不少于3 年）最冷月平均温度－10℃＜T≤0℃的地区定义为寒冷地区。
钢材在低温、中温、高温下,性能不同
钢材在低温、中温、⾼温下,性能不同3.3.1 温度不同⽤途的压⼒容器的⼯作温度不同。
钢材在低温、中温、⾼温下，性能不同。
⾼温下，钢材性能往往与作⽤时间有关。
介绍⼏种情况的影响:⼀、短期静载下温度对钢材⼒学性能的影响1、⾼温下在温度较⾼时，仅仅根据常温下材料抗拉强度和屈服点来决定许⽤应⼒是不够的，⼀般还应考虑设计温度下材料的屈服点。
2、低温下随着温度降低，碳素钢和低合⾦钢的强度提⾼，⽽韧性降低。
当温度低于20℃时，钢材可采⽤20℃时的许⽤应⼒。
韧脆性转变温度——（或脆性转变温度）当温度低于某⼀界限时，钢的冲击吸收功⼤幅度地下降，从韧性状态变为脆性状态。
这⼀温度常被称为韧脆性转变温度或脆性转变温度。
图3-3 温度对低碳钢⼒学性能的影响(图3-4 低碳钢冲击吸收功和温度的关系曲线)低温变脆的⾦属：具有体⼼⽴⽅晶格的⾦属如碳素钢和低合⾦钢。
低温仍有很⾼韧性的⾦属：⾯⼼⽴⽅晶格材料如铜、铝和奥⽒体不锈钢，冲击吸收功随温度的变化很⼩，在很低的温度下仍具有⾼的韧性。
⼆、⾼温、长期静载下钢材性能蠕变现象：在⾼温和恒定载荷的作⽤下，⾦属材料会产⽣随时间⽽发展的塑性变形，这种现象被称为蠕变现象。
⼀定的应⼒作⽤下，碳素钢（>420度）合⾦钢(>400-500度)时发⽣蠕变。
蠕变的危害:蠕变的结果是使压⼒容器材料产⽣蠕变脆化、应⼒松弛、蠕变变形和蠕变断裂。
因此,⾼温压⼒容器设计时应采取措施防⽌蠕变破坏发⽣。
1、蠕变曲线蠕变曲线三阶段：减速蠕变，恒速蠕变，加速蠕变。
oa线段——试样加载后的瞬时应变。
a点以后的线段——从a点开始随时间增长⽽产⽣的应变才属于蠕变。
蠕变曲线上任⼀点的斜率表⽰该点的蠕变速率。
ab为蠕变的第⼀阶段:即蠕变的不稳定阶段，蠕变速率随时间的增长⽽逐渐降低，因此也称为蠕变的减速阶段。
bc为蠕变的第⼆阶段: 图3-5 蠕变应变与时间的关系在此阶段，材料以接近恒定蠕变速率进⾏变形，故也称为蠕变的恒速阶段。
16mndr低温钢标准
16mndr低温钢标准摘要：1.低温钢概述2.16MnDr低温钢的性能特点3.16MnDr低温钢的应用领域4.16MnDr低温钢的制造与加工5.16MnDr低温钢的焊接技术6.16MnDr低温钢的检验与质量控制7.我国16MnDr低温钢标准的发展现状与展望正文：一、低温钢概述低温钢是指在-196℃以下的低温环境下，具有良好力学性能和耐低温腐蚀的钢材。
低温钢主要应用于液化天然气（LNG）、液化石油气（LPG）、乙烯、丙烯等低温设备的制造。
二、16MnDr低温钢的性能特点16MnDr低温钢是我国自主研发的一种低温钢，具有以下性能特点：1.良好的低温韧性：16MnDr在-196℃以下的低温环境下，具有良好的低温韧性，抗拉强度≥485MPa，断裂韧性KIC≥60MPa·m1/2。
2.较高的强度：在常温下，16MnDr钢的抗拉强度为485-650MPa，屈服强度为295-360MPa。
3.良好的耐腐蚀性能：16MnDr低温钢在低温环境下，具有较低的腐蚀速率，适用于各种低温腐蚀环境。
4.良好的焊接性能：16MnDr低温钢具有较高的焊接性能，可采用各种焊接方法进行焊接。
三、16MnDr低温钢的应用领域16MnDr低温钢广泛应用于液化天然气（LNG）、液化石油气（LPG）、乙烯、丙烯等低温设备的制造，如储罐、管道、阀门等。
四、16MnDr低温钢的制造与加工16MnDr低温钢的制造与加工要求较高，需要严格控制冶炼、轧制、热处理等工艺参数，以确保钢板的低温性能。
五、16MnDr低温钢的焊接技术16MnDr低温钢的焊接技术要求较高，应采用合适的焊接工艺和焊接材料，以保证焊接接头的低温性能和力学性能。
六、16MnDr低温钢的检验与质量控制为确保16MnDr低温钢的质量，应进行全面的检验，包括化学成分、力学性能、低温韧性、焊接性能等。
七、我国16MnDr低温钢标准的发展现状与展望我国16MnDr低温钢标准逐渐完善，目前已有相应的国家标准和行业标准。
q235b钢板最低允许使用温度范围
Q235B钢板是一种常用的结构钢材料，被广泛应用于建筑结构、制造业、桥梁和其他工程领域。
在使用Q235B钢板时，其最低允许使用温度范围是非常重要的，因为温度对钢材的性能和机械性能有着显著的影响。
以下是关于Q235B钢板最低允许使用温度范围的相关内容：1. Q235B钢板的普通使用温度范围Q235B钢板的普通使用温度范围通常在-20℃至20℃之间，这个范围是根据钢材的化学成分和机械性能确定的。
在这个温度范围内，Q235B钢板可以满足一般工程和建筑结构的需求，具有较好的强度和韧性。
2. Q235B钢板的低温使用性能在低温条件下，Q235B钢板的使用性能可能会受到影响。
当温度低于-20℃时，Q235B钢板的韧性和塑性会明显下降，可能出现脆断的情况。
在临界温度以下的环境中，Q235B钢板的使用应当格外谨慎，需要采取相应的防护措施或者选择其他耐低温钢材。
3. 低温冲击试验为了评估Q235B钢板在低温条件下的性能，通常进行低温冲击试验。
这个试验可以模拟实际使用中的低温环境，通过测试钢板的冲击韧性来评估其在低温下的可靠性。
根据试验结果，可以对Q235B钢板的低温使用性能进行合理的评估和选择。
4. 低温下的应用注意事项在实际工程中，若需要在低温环境下使用Q235B钢板，需要注意以下几点：- 在设计阶段就要考虑低温环境下材料的选择和应用，避免在施工和使用过程中出现问题；- 对于暴露在户外的结构，要采取防寒保温措施，以减少低温对钢材性能的影响；- 定期进行钢板及结构的检测和维护，及时发现并处理可能存在的低温损伤和隐患。
Q235B钢板的最低允许使用温度范围是一个重要的工程技术指标，对于确保结构的安全可靠具有重要意义。
在实际应用中，需要根据具体工程条件和环境要求，合理选择钢材并采取相应的防护和措施，以确保Q235B钢板在低温条件下的稳定使用。
为了更深入地了解Q235B 钢板在低温条件下的表现和使用，我们需要对其低温下的物理特性和行为有更全面的了解。
金属力学性能之韧性指标
韧性：金属在断裂前吸收变形能量的能力称为韧性指标。
①冲击韧性：金属材料在冲击载荷作用下，抵抗破坏的能力或者说断裂时吸收冲击功的能量大小，它表示材料对冲击负荷的抗力。
目前均采用冲击吸收功AKV表示，单位J试样：U型缺口—时效冲击时用V型缺口 AKV表示，V型缺口在锅炉压力容器的检验中应用较多。
时效冲击将试件拉伸残余变形10%（低碳钢），5%（低合金钢）后加热250° 10℃保温一小时后再作冲击，试验采用U型缺口，得出a kus时效冲击值。
（1）脆性转变温度：T k我们把使材料的冲击韧性显著降低的温度叫做脆性转变温度。
因为冲击韧性与试验温度有关，材料在低温下会出现由塑料状态转变为脆性状态，冷脆性转变温度的高低是金属材料质量指标之一。
冷脆转变温度越低的材料其材料的低温冲击性能越好，北方寒冷地区必须具有更低的冷脆转变温度才能保证安全，所以在-20℃以下的地区所有焊件都要求低温冲击韧性。
冷脆温度的测定目前可使用三种方法：①能量准则法②断口形貌准则法③落锤试验法所测试样发生脆性断裂的最高温度称为无塑性转变温度NDT。
钢材的最低允许工作温度应高于无塑性转变温度。
（注意与NDT无损探伤试验相区别）试样在冲击断裂过程中是一个裂纹发生和发展的过程，如果塑变能够发生在断裂的前面，阻止裂纹的扩展而裂纹的继续发展就需要消耗更多的能量。
因此冲击韧性的高低取决于材料有无迅速塑性变形的能力。
a k值对材料内部组织及缺陷较其他方法更为敏感，能够灵敏地反映出材料品质、宏观缺陷和显微组织方面的变化。
此外冲击实验迅速、方便，所以是质量检验的有效方法。
例如：对白点、温度敏感（时效冲击）。
②断裂韧度由于在高强度材料中时常发生低应力脆性断裂。
实际上材料远非是均匀的、连续的各向同性的其组织中存在微裂纹、夹杂、气孔等缺陷可看作是裂纹，在外力作用下，在裂纹尖端附近便出现应力集中，根据断裂力学对裂纹尖端应力场的分析，应力场的强弱主要取决与一个力学参数——应力强度因子K I当拉应力逐渐增大或裂纹逐渐扩展时，K I也随之增大，当K I增大到某一临界值时，试样中的裂纹会突然失稳扩展，导致断裂。
低温钢定义
低温钢定义低温钢是一种能够在极低温度下工作的特殊钢材。
在一些特定的工业领域中，需要使用到低温钢，以保证设备在极寒环境下的正常运行。
本文将从低温钢的特性、应用领域和制造工艺等方面进行介绍。
低温钢具有良好的抗冷脆性。
在极低温度下，普通钢材容易出现冷脆断裂的问题，而低温钢通过添加合适的合金元素，使其具备了较好的韧性和抗冷脆性。
这使得低温钢能够在低于零下50摄氏度甚至更低的温度下保持较好的力学性能，不易发生断裂。
低温钢具有较高的耐蚀性。
在一些特殊的工业环境中，如深海油田、天然气输送管道等，低温钢需要长时间暴露在潮湿的环境中。
因此，低温钢需要具备较好的耐腐蚀性，以保证其长期稳定的工作性能。
通过合理的合金设计和表面处理，低温钢能够有效抵御腐蚀和氧化。
低温钢的应用领域非常广泛。
首先是石油和天然气工业。
在石油和天然气的开采、储存和输送过程中，经常需要使用到低温钢制造的设备和管道。
由于这些设备需要在极寒的环境下工作，低温钢的优异性能能够保证设备的安全可靠。
其次是航空航天领域。
在航空航天器的制造过程中，低温钢被广泛应用于制造燃气涡轮发动机、推力器和液氧燃料储存罐等。
低温钢能够在极低温度下保持较好的力学性能，同时具备较高的耐腐蚀性，能够满足航空航天器对材料性能的苛刻要求。
低温钢还被广泛应用于核能领域。
在核电站的建设和运行过程中，低温钢被用于制造核反应堆压力容器和核燃料储存罐等关键设备。
低温钢能够在高辐射环境和低温条件下保持稳定的性能，确保核设施的安全运行。
关于低温钢的制造工艺，首先需要选择合适的材料成分。
通过添加合适的合金元素，可以提高钢材的强度和耐蚀性。
其次，需要进行适当的热处理。
低温钢制品在制造过程中需要进行退火和淬火处理，以提高材料的韧性和硬度。
最后，需要进行表面处理。
表面处理可以提高低温钢的抗腐蚀性能，延长其使用寿命。
低温钢作为一种特殊的钢材，在特定的工业领域中具有重要的应用价值。
其良好的抗冷脆性和耐腐蚀性使得低温钢能够在极寒环境下保持较好的力学性能和稳定的工作状态。
低温钢概述
20世纪30年代以来，国外发生过多次桥梁构件脆断的事故。
分析表明，金属或合金在低于某个临界温度的条件下，韧性急剧降低，性质变脆。
这个温度(实际上足一个温度范围)叫做脆性临界转变温度。
随着科学技术的发展，为了适应低温的要求，人们研制了各种低温钢。
钢的低温机械性能与它的晶体结构有很大关系，几乎所有钢种的强度、硬度和弹性模量都随着温度的降低而提高。
而大部分钢的塑性和韧性却随温度的降低有不同程度的降低。
其中，一类钢种随着温度下降，屈服强度迅速提高到强度极限的数值，从而转向脆性破坏；另—类钢种则随着温度的下降，其强度提高，而塑性和韧性指标仍保持较高数值。
前者通常具有体心立方晶格，叫做冷脆体：后者一般具有面心立方晶格，叫做非冷脆体。
因此，具有面心立方晶格的金属材料，如奥氏体不锈钢，在低温技术中首先得到应用。
随着对低温钢需求量的增大和使用温区的多样化，各国已研制出许多低合金低温钢。
对于低温钢的技术要求一般是：在低温下具有足够的强度和充分的韧性，具有良好的工艺性能、加工性能和耐腐蚀性等。
其中低温韧性，即低温下防止脆性破坏发生和扩展的能力是最重要的因素。
所以，各国通常都规定出最低温度下的一定的冲击韧性值。
在低温钢成分中，一般认为，碳、硅、磷、硫、氮等元素使低温韧性恶化，其中磷的危害最大，所以在冶炼中应早期低温脱磷。
锰、镍等元素能使低温韧性提高。
每增加1%的镍含量，脆性临界转变温度约可降低20℃左右。
低温钢一般在碱性感应电炉、电弧炉中进行冶炼。
出钢温度和浇铸温度均不宜过高，过高的出钢温度会使钢水中气体增多：过高的浇铸温度则导致晶粒粗大，因而降低低温韧性。
热处理工艺对低温钢的金相组织和晶粒度有决定性影响，从而也影响钢的低温韧性。
经过调质处理后的低温韧性有明显的提高。
根据热加工成型方式的不同，低温钢可分为铸钢和轧材两种。
根据成分和金相组织的区别，低温钢可分为：低合金钢、6％镍钢、9％镍钢、铬—锰或铬—锰—镍奥氏体钢以及铬—镍奥氏体不锈钢等。
低温冲击 钢 标准
低温冲击钢标准低温冲击是指在低温环境下，材料受到外部冲击或载荷作用时的性能表现。
在工程结构中，特别是在制造和使用涉及低温环境的设备和构件时，对材料的低温冲击性能提出了更高的要求。
而钢材作为一种常见的结构材料，在低温环境下的性能表现尤为重要。
因此，制定和遵守低温冲击钢标准，对于确保设备和结构在低温环境下的安全运行至关重要。
低温冲击钢标准主要包括对钢材的低温脆性、韧性、强度和断裂韧性等性能指标的要求。
首先，钢材在低温下容易出现低温脆性，即在低温环境下材料的韧性降低，易发生脆性断裂。
因此，低温冲击钢标准要求钢材在低温下具有良好的韧性，能够抵抗低温环境下的冲击载荷，不发生脆性断裂。
其次，低温冲击钢标准还对钢材的强度和断裂韧性提出了要求，要求钢材在低温环境下保持足够的强度，同时具有良好的断裂韧性，能够在受到冲击载荷时延缓裂纹扩展，提高结构的抗冲击能力。
为了确保钢材在低温环境下的性能符合要求，低温冲击钢标准还规定了钢材的试验方法和评定标准。
通过对钢材进行低温冲击试验，可以评定钢材在低温环境下的性能表现，包括冲击吸收能力、断裂韧性、裂纹扩展速率等指标。
根据试验结果，可以对钢材的低温冲击性能进行评定，确保其符合低温冲击钢标准的要求。
在实际工程中，遵守低温冲击钢标准对于确保设备和结构在低温环境下的安全运行至关重要。
只有选择符合低温冲击钢标准要求的钢材，并严格按照标准进行材料选用、制造和使用，才能确保设备和结构在低温环境下不会出现意外事故。
因此，工程设计和制造中必须严格遵守低温冲击钢标准，确保使用的钢材具有良好的低温冲击性能。
综上所述，低温冲击钢标准对于确保设备和结构在低温环境下的安全运行具有重要意义。
只有严格遵守标准要求，选择符合要求的钢材，并进行必要的试验和评定，才能确保钢材在低温环境下具有良好的性能表现，提高结构的抗冲击能力，确保设备和结构的安全运行。
因此，在工程设计和制造中，必须高度重视低温冲击钢标准的要求，确保所使用的钢材符合标准，以保障设备和结构在低温环境下的安全运行。
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（2）取样规则
根据需要，钢材可按批进行冲击试验取样，其分批要求及试样截取应遵循以下规定。
①钢板每批钢板由同一牌号、同一炉罐号、同一规格和同一热处理制度组成。每批钢板质量按厚度分类：6-16mm钢板应不大于15t；大于16mm钢板应不大于25t。每批取1组试样，试样方向为横向。
-196℃者。
①因钢材的尺寸限制，无法制备5mm×10mm×55mm冲击试样者，且设计温度不低于-45℃者。
②在GB 150所列的低碳钢和碳锰钢钢管，因钢管尺寸限制，无法制备5mm×10mm×55mm冲击试样者，且设计温度不低于表13-5者。
表13-5免做冲击试验的钢管最低设计温度
钢管名义厚
度mm
1086最终设计温度/℃
焊后状态使用焊后热处理状态使用
-15
-20
-25-30
-35
-40钢管名义厚
度/mm42最终设计温度/℃焊后状态使用焊后热处理状态使用-40
-45-45-45③螺母用钢。
④在低温低应力工况下使用的容器或受压元件，符合有关条件可不遵循低
xx压力容器的有关规定，其所用钢材者。
⑤含碳量不大于0.10%的标准铬镍奥氏体不锈钢，设计温度高于或等于
1、试验温度下3个试样的冲击功平均值不得低于表中规定；其中单个试样的冲击功可小于平均值，但不得小于平均值的70%。
2、抗拉强度大于650 Mpa的螺栓等钢材的冲击功值按抗拉强度等于650 Mpa的要求，但40CrNiMo的低温冲击功应不小于31J（三个试样平均值）。
（5）其他规定
低温压力容器用钢若符合下列条件之一者可免做低温夏比（V形缺口）冲击试验。
（3）试验温度
低温压力容器用钢的冲击试验温度必须小于或等于容器或其受压元件的设计温度。当容器或其受压元件使用在低温应力工况时，钢材的冲击试验温度必须小于或等于调整后的设计温度。
（4）冲击功指标
钢材试验温度下的冲击功指标，按钢材标准规定的最低抗拉强度确定，具体要求必须满足表13-4的规定。小试样的冲击功指标根据试样宽度按比率缩减。
取样位置应靠近钢管内壁，一般为纵向，对大直径厚壁管可沿切向取样。缺口应沿厚度方向切取。
③锻件按和取样部位切取试样。
④钢棒每批钢棒由同一牌号、同一炉罐号、同一尺寸、同炉热处理组成。在经最终热处理的每批钢棒中任选两根，各取1组试样。试样方向为纵向，试样的纵轴应尽量位于钢棒半径的处。
表13-4低温夏比（V形缺口）冲击试验最低冲击功规定值
钢材标准的最低抗拉强度
σb/Mpa
≤4503个试样的冲击功平均值钢材标准的最低抗拉
(10mm×10mm×55mm)
18强度σb/Mpa
＞515-6503个试样的冲击功平均值(10mm×10mm×55mm)27＞450-51520奥氏体钢焊接接头区31注：
低温钢材的韧性要求
（1）试验方法
低温压力容器及其受压元件所采用的钢材，必须进行低温夏比（V形缺口）冲击试验。
钢材的冲击试验方法，应符合GB 4159《金属低温夏比冲击试验方法》的有关规定。冲击试样按GB 2106《金属夏比V形缺口冲击试验方法》规定的10mm×10mm×55mm标准试样。若无法制备标准试样时，也可采用
②钢管每批钢管由同一牌号、同一炉罐号、同一规格和同一热处理制度组成。每批钢管按直径分类：
外直径大于351mm的钢管每批不超过50根；外直径小于或等于351mm
的钢管每一批不超过200根。在每批中的任意两根钢管上各取1组试样。
用于制造容器圆筒，且厚度大于16mm的钢管，按批抽10%，且不少于两根，每根取1组试样。