论文总字数：14931字

摘 要

自1912年由英国冶金专家亨利布雷利发明不锈钢至今，不锈钢的型号已达到一百多种。按照其微观组织结构，不锈钢可分为铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢以及铁素体—奥氏体双相不锈钢，不同类型的不锈钢具有不同的结构和性能。在化工设备中奥氏体不锈钢封头做为主要的组成部分之一，在化工设备中占有及其重要的地位。

本课题首先研究的是奥氏体不锈钢能够用于深冷条件下的原因，其次了解深冷的概念以及运用于深冷条件下设备用钢的特性。再次分析奥氏体不锈钢的组织结构特点和性能特点以及其能够用于深冷条件下的原因。对封头旋压成型的过程以及封头与筒体焊接连接的技术进行理解和讨论。针对深冷条件接触液态乙烯的304奥氏体不锈钢封头发生开裂的原因进行深入的分析和剖析。

关键词：奥氏体不锈钢 深冷条件 封头 应力腐蚀

Analysis of cryogenic conditions of 304 austenitic stainless steel head cracking

Abstract

Ever since 1912 when British metallurgist Henry Bradley invented the stainless steel, as many as more than one hundred types of stainless steel have emerged. Stainless steel can be subdivided into ferritic stainless steel, austenitic stainless steel, martensitic stainless steel, and ferritic-austenitic duplex stainless steel. Different types of stainless steel also differ in structure and performance. As one of the major components, austenitic stainless steel head plays a crucial role in chemical equipment.

This subject firstly investigates the reason why austenitic stainless steel can be used in cryogenic conditions followed by the concept of cryogenics and features of equipment used in cryogenic conditions. Secondly, the structural and performance features of austenitic stainless steel and the reason why it can be used in cryogenic conditions are analyzed. The head’s spin forming process and head-shell welding technique are discussed. Lastly, in-depth analysis of the reason why the head made of 304 austenitic stainless steel that contacts liquid ethylene cracks under cryogenic conditions is carried out.

Keywords: Austenitic stainless steel; Cryogentic conditions; Head; Stress corrosion

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 前言 1

1.2 不锈钢的定义与分类 1

1.3不锈钢的发展历程 1

1.4 奥氏体不锈钢的应用和性能特点 2

1.5 研究背景和内容 3

第二章 低温深冷条件下ASS的性能特点 5

2.1 前言 5

2.2 低温深冷条件极其应用 5

2.2.1 气体液化 5

2.2.2低温深冷处理 5

2.3 低温深冷条件下选材特点 6

2.4奥氏体不锈钢在低温深冷条件下的特点 7

2.5 本章小结 9

第三章 影响ASS封头在低温深冷下开裂的因素 10

3.1 引言 10

3.2 封头旋压成型过程中对ASS性能和组织的影响 10

3.3 封头与筒体焊接对ASS性能的影响 10

3.4 环境条件对ASS封头开裂的影响 11

3.5 本章小结 12

第四章304不锈钢低温容器封头开裂原因分析 13

4.1 前言 13

4.2 实验过程与方法 13

4.2.1 断口宏观形貌的观察 13

4.2.2 封头材料显微结构和裂纹的观察 13

4.2.3 封头材料显微硬度的测量 14

4.2.4 断口显微形貌的观察 14

4.3 结果与讨论 14

4.3.1 封头表面宏观裂纹的特征 14

4.3.2 封头材料的显微组织和裂纹形貌 16

4.3.3 封头材料的显微硬度值 18

4.3.2裂纹面的显微形貌特征 19

4.4 结论 21

第五章结论与展望 22

5.1结论 22

5.2展望 22

致谢 23

参考文献 24

第一章 绪论

1.1 前言

不锈钢（Stainless Steel，简称SS）是一种可持续发展、绿色环保的材料，可以回收再利用，具有十分可观的经济效益。由于不锈钢具有碳钢、低合金钢和其他铁基类合金钢不具有的特殊性能，使得不锈钢在过程工业，特别是具有较强腐蚀性和高参数环境的石油、化工、核电等行业中，被广泛应用。

1.2 不锈钢的定义与分类

不锈钢是一种铁基合金，其是在普通低碳钢与其他合金含量较少钢的基础上，添加指定一定量的铬元素和镍元素，通过高温冶炼，并经过一定的热处理而成的。不锈钢主要特点是不锈性和耐蚀性，当钢中铬元素含量超过 10.5%时，在大气、蒸汽和水等弱腐蚀性环境中时，不锈钢表面会发生氧化作用，生成一层致密的、与基体金属紧密结合、不易脱落的氧化膜，这层含铬的氧化膜有效地保护了不锈钢表面，使其在与外界接触时不易生锈。

不锈钢有多种分类方式，通常，根据钢在室温条件下的显微结构的不同，不锈钢分为五大类，分别是：马氏体不锈钢、奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体-铁素体不锈钢和沉淀硬化型不锈钢。

1.3不锈钢的发展历程

不锈钢的出现，使金属材料行业发生了翻天覆地的变化，同时，也促进了其他行业的快速发展。

不锈钢的发展最早起步于法国。在十九世纪初（1817年），法国生产了含Cr量较低的钢，实际上就是低Cr含量的低合金钢（合金元素小于5%的钢）。1821年，法国的贝尔蒂埃（Berthier）[^[1]]最先提出在钢中添加铬，以实现Cr的氧化，在钢表面形成含Cr氧化膜，预防不锈钢在空气环境中的腐蚀，这是不锈钢发展的最初雏形。在二十世纪初（大概在1904年至1909年间），法国逐步开始生产含铬 13%的钢种。1913 年， 18-8型不锈钢的专利在西方国家提出。1915年，英国开发了含铬 13%～15%的不锈钢，标志着马氏体不锈钢的诞生。1929年，有关18-8型不锈钢的专利由施特劳斯获得，较高Cr和镍含量的奥氏体不锈钢的应用开始逐渐变得广泛[^[2]]。但是，对于这类钢在热处理、长期高温服役和焊接过程，发现存在晶间腐蚀，对其服役寿命产生一定不利的影响。1931年，德国的霍德鲁特，在普通18-8型不锈钢基础上，加入了一定量的Ti，使得强碳化物形成元素Ti和C结合，减轻了晶间的贫Cr，降低18-8 型不锈钢的敏化度，减少晶间腐蚀问题。同时，法国Unieux实验室，发现在奥氏体不锈钢中，若存在一定量的铁素体，可以使不锈钢的耐晶间腐蚀性得到明显改善，这就是后来广泛使用的双相不锈钢[^[3]]。双相不锈钢由于含有更高的Cr量，并且其组织结构中包含有铁素体相和奥氏体相，不仅其耐晶间腐蚀性得到提高，而且，其耐应力腐蚀开裂的能力也得到了较大提高，也是在工业上广发使用的一种钢，但其价格较普通不锈钢要贵。后来，在1946年，美国的史密斯埃塔尔，研制成功了马氏体沉淀硬化型不锈钢，这可以使得该类钢可以在更大范围场合的应用。

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