Research Status of Ultra-low Temperature Pressure Vessel Steel

Cao Lujun; Zhou Yucheng; Sun Shihao; Hu Jikang

doi:10.20057/j.1003-8620.2024-00149

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Research Status of Ultra-low Temperature Pressure Vessel Steel

Overview | 更新时间：2025-05-09

- Research Status of Ultra-low Temperature Pressure Vessel Steel
- Special Steel Vol. 46, Issue 2, Pages: 13-22(2025)
- 作者机构：
  
  1.河南科技大学材料科学与工程学院，洛阳 471000
  2.河南科技大学金属材料磨损控制与成型技术国家地方联合工程研究中心，洛阳 471000
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.20057/j.1003-8620.2024-00149
  CLC： TG142.79
- Published：30 March 2025
- 稿件说明：
移动端阅览
曹陆军,周玉成,孙世豪等.超低温压力容器用钢研究现状[J].特殊钢,2025,46(02):13-22.

Cao Lujun,Zhou Yucheng,Sun Shihao,et al.Research Status of Ultra-low Temperature Pressure Vessel Steel[J].Special Steel,2025,46(02):13-22.
曹陆军,周玉成,孙世豪等.超低温压力容器用钢研究现状[J].特殊钢,2025,46(02):13-22. DOI： 10.20057/j.1003-8620.2024-00149.

Cao Lujun,Zhou Yucheng,Sun Shihao,et al.Research Status of Ultra-low Temperature Pressure Vessel Steel[J].Special Steel,2025,46(02):13-22. DOI： 10.20057/j.1003-8620.2024-00149.

摘要

超低温压力容器用钢是指专门应用于液氮（-196 ℃）及以下温度的钢材，需要在极端低温条件下拥有足够的机械强度和韧性。一般来说，随着温度的降低，钢材的强度和硬度会增加，但同时伴随着脆性断裂风险的显著提升以及塑性变形能力的下降，给其在设计和应用上带来极大的困难和挑战。本研究立足于超低温压力容器在-196 ℃及以下温度下高强韧的需求，针对钢材在超低温下的高韧性和高强度难以兼顾的瓶颈问题，从钢材的分类和研究现状出发，分别介绍了在超低温环境下钢材的性能特点。此外，归纳总结了钢在超低温环境下强韧化的新方法、新工艺和研发进展，重点分析了几种典型超低温用钢的低温韧性机理与强化策略，并对其韧-脆转变机理进行总结，其主要包括马氏体相变、位错运动与孪晶形成等微观机制。综述了化学成分、晶体结构和晶粒尺寸等因素对钢材低温韧性的影响。最后，基于现有研究成果，对超低温压力容器用钢的制备和强化进行了展望。

Abstract

Steel for ultra-low-temperature pressure vessel is steel specifically applied to liquid nitrogen （-196 ℃） and below， and requiring sufficient mechanical strength and toughness under extreme low-temperature conditions. In general， the strength and hardness of steels increase as the temperature decreases， but at the same time this is accompanied by a significant increase in the risk of brittle fracture and a decrease in plastic deformability， creating significant difficulties and challenges in their design and application. Based on the demand for high strength and toughness of ultra-low-temperature pressure vessels at temperature of -196 ℃ and below， and in response to the bottleneck problem that it is difficult to combine high toughness and high strength of steel at ultra-low temperatures， the performance characteristics of steel in ultra-low-temperature environments are introduced from the classification of steel and the current status of the research， respectively. In addition， new methods， processes and research and development progress of steel toughening in ultra-low-temperature environments are summarized， focusing on the analysis of low-temperature toughness mechanisms and strengthening strategies of several typical ultra-low-temperature steels， as well as their tough-brittle transition mechanisms， which mainly include martensitic phase transformation， dislocation motion and twin crystal formation and other micro-mechanisms. The effects of factors such as chemical composition， crystal structure and grain size on the low-temperature toughness of steel are summarized. Finally， based on the existing research results， the preparation and strengthening of steels for ultra-low-temperature pressure vessels are prospected.

关键词

Keywords

references

姜颖，徐华，黄微涛，等 . 压力容器用钢板ASTM A 387M Gr.11 CL2的生产实践［J］. 特殊钢， 2020 ， 41 （ 4 ）： 40 - 42 .

李昌义，刘正东，林肇杰 . 核电站反应堆压力容器用钢的研究与应用［J］. 特殊钢， 2010 ， 31 （ 4 ）： 14 - 17 .

张天舒，黄治成，迟云广，等 . 超低温压力容器用9Ni钢的冶炼生产实践［J］. 特殊钢， 2024 ， 45 （ 1 ）： 27 - 32 .

李　森 . 低温压力容器用钢的现状与发展概况分析［J］. 冶金与材料， 2022 ， 42 （ 6 ）： 175 - 177 .

杨晓峰，班慧勇，陈宏，等 . 低温钢的机理及研发进展和展望［J］. 钢结构， 2022 ， 37 （ 1 ）： 1 - 8 .

Li Y ， Li W ， Wang B J ， et al . Transformable nanoprecipitates induced large ductility in a metastable cryogenic steel ［J］. Science Bulletin ， 2023 ， 68 （ 12 ）： 1243 - 1247 .

Zhou C ， Ye Q B ， Zhao T ， et al . Strengthening and toughening mechanisms in Ni-alloyed steel： Enhancing the integral stability of retained austenite ［J］. Materials Science and Engineering： A ， 2022 ， 852 ： 143703 .

李荣斌，秦品强，陈永强，等 . 不同两相区淬火温度对9Ni钢组织与性能的影响［J］. 金属热处理， 2021 ， 46 （ 7 ）： 18 - 22 .

杨跃辉 . 两相区保温时间对QLT处理9Ni钢组织及性能的影响［J］. 材料导报， 2015 ， 29 （ 24 ）： 83 - 86 .

Zhao X Q ， Pan T ， Wang Q F ， et al . Effect of tempering temperature on microstrueture and mechanical properties of steel containing Ni of 9 % ［J］. Journal of Iron and Steel Research International ， 2011 ， 18 （ 5 ）： 47 - 51 .

Zhang H L ， Hou J P ， Zhang D Z ， et al . Effect of quenching， lamellarizing， and tempering on reversed austenite and cryogenic toughness of 9Ni steels ［J］. Journal of Materials Engineering and Performance ， 2024 ， 33 （ 5 ）： 2349 - 2357 .

何应玲，何宜柱，杨　磊 . 热处理工艺对9Ni钢组织和低温韧性的影响［J］. 金属热处理， 2017 ， 42 （ 2 ）： 119 - 123 .

杨跃辉 . C、Ni含量对9Ni钢逆转变奥氏体量及稳定性的影响［J］. 热加工工艺， 2016 ， 45 （ 20 ）： 221 - 224 .

顾开选，王俊杰，张　红，等 . 深冷处理最低温度对9%Ni钢力学性能及逆转奥氏体含量的影响［J］. 稀有金属材料与工程， 2018 ， 47 （ 11 ）： 3277 - 3283 .

沈卫东，施　磊 . 奥氏体不锈钢低温压力容器应变强化变形量影响因素研究及工艺控制［J］. 石油和化工设备， 2021 ， 24 （ 3 ）： 54 - 56 .

陈海云，盛水平 . S31608奥氏体不锈钢应变强化诱发马氏体相变实验［J］. 压力容器， 2013 ， 30 （ 8 ）： 7 - 14 .

陈　勇，陆戴丁，孔韦海 . 应变强化奥氏体不锈钢的低温冲击韧性［J］. 机械工程材料， 2015 ， 39 （ 6 ）： 73 - 78 .

Lu Q J ， Zheng J Y ， Huang G ， et al . Enhancing combined cryogenic mechanical properties of metastable austenitic stainless steel by warm forming ［J］. Journal of Materials Processing Technology ， 2021 ， 291 ： 117017 .

孔韦海，陈学东，闫永超，等 . 应变强化对022Cr17Ni12Mo2奥氏体不锈钢显微组织和力学行为的影响［J］. 中国机械工程， 2016 ， 27 （ 8 ）： 1117 - 1122 .

Wang Z C ， Shi S W ， Yu J T ， et al . Enhanced cryogenic tensile properties through cryogenic cyclic plastic strengthening in a metastable austenitic stainless steel ［J］. Scripta Materialia ， 2023 ， 222 ： 115024 .

董宇昂，阳华杰，贲丹丹，等 . 液氮电脉冲处理超细晶316 L不锈钢的低温拉伸性能［J］. 材料研究学报， 2023 ， 37 （ 3 ）： 168 - 174 .

Li L L ， Niu G ， Gong N ， et al . Influence of banded ε-martensite and deformation twin on cryogenic toughness of Fe-Mn-xAl-C steel ［J］. Journal of Materials Research and Technology ， 2023 ， 27 ： 262 - 271 .

Li Y ， Lu Y F ， Li W ， et al . Hierarchical microstructure design of a bimodal grained twinning-induced plasticity steel with excellent cryogenic mechanical properties ［J］. Acta Materialia ， 2018 ， 158 ： 79 - 94 .

Zhong S X ， Xu C ， Li Y ， et al . Hierarchy modification induced exceptional cryogenic strength， ductility and toughness combinations in an asymmetrical-rolled heterogeneous-grained high manganese steel ［J］. International Journal of Plasticity ， 2022 ， 154 ： 103316 .

王玉辉 . 高锰奥氏体钢的微观组织调控及室温和低温力学性能［D］. 秦皇岛：燕山大学， 2018 .

Ren J K ， Li Z H ， Zhou X ， et al . Interpretation of microstructure evolution and mechanical properties under aging treatments of a Fe-24Mn-0.6C-2Al-0.6V austenitic steel for cryogenic application ［J］. Journal of Materials Research and Technology ， 2023 ， 24 ： 4661 - 4677 .

邱旭扬帆，杨卓越，丁雅莉 . 残留/逆转变奥氏体对改善高强度不锈钢-196 ℃超低温冲击性能的影响［J］. 金属热处理， 2021 ， 46 （ 5 ）： 71 - 74 .

刘入杰，邹海贝，李伟，等 . 固溶温度对00Cr12Ni10MoTi马氏体时效不锈钢组织与性能的影响［J］. 中国金属通报， 2018 ，（ 4 ）： 66 - 68 .

邱旭扬帆，杨卓越，丁雅莉 . 提高Cr-Ni-Mo-Ti马氏体时效不锈钢超低温韧性的固溶处理工艺［J］. 金属热处理， 2022 ， 47 （ 1 ）： 44 - 48 .

吉昱睿，杨卓越，谭红琳，等 . 提高Cr-Ni-Co-Mo马氏体时效不锈钢超低温韧性的热处理工艺［J］. 金属热处理， 2021 ， 46 （ 10 ）： 133 - 136 .

邱旭扬帆，杨卓越，丁雅莉 . 提高马氏体时效不锈钢超低温韧性的热稳定化新工艺［J］. 新技术新工艺， 2021 （ 2 ）： 11 - 14 .

Peng J L ， Zhou B ， Li Z Q ， et al . Effect of tempering process on the cryogenic impact toughness of 13Cr4NiMo martensitic stainless steel ［J］. Journal of Materials Research and Technology ， 2023 ， 23 ： 5618 - 5630 .

Raabe D ， Sandlöbes S ， Millán J ， et al . Segregation engineering enables nanoscale martensite to austenite phase transformation at grain boundaries： A pathway to ductile martensite ［J］. Acta Materialia ， 2013 ， 61 （ 16 ）： 6132 - 6152 .

Qian F ， Sharp J ， Rainforth W M . Microstructural evolution of Mn-based maraging steels and their influences on mechanical properties ［J］. Materials Science and Engineering： A ， 2016 ， 674 ： 286 - 298 .

Liu G ， Su J ， Wang A ， et al . A novel Fe-Cr-Ni-Co-Mo maraging stainless steel with enhanced strength and cryogenic toughness： Role of austenite with core-shell structures ［J］. Materials Science and Engineering： A ， 2023 ， 863 ： 144537 .

Anoop C R ， Prakash A ， Narayana Murty S V S ， et al . Origin of low temperature toughness in a 12Cr-10Ni martensitic precipitation hardenable stainless steel ［J］. Materials Science and Engineering： A ， 2018 ， 709 ： 1 - 8 .

Zhang H L ， Ji X ， Ma D P ， et al . Effect of aging temperature on the austenite reversion and mechanical properties of a Fe–10Cr–10Ni cryogenic maraging steel ［J］. Journal of Materials Research and Technology ， 2021 ， 11 ： 98 - 111 .

Sakurai T ， Umezawa O . Fracture toughness and martensitic transformation in type 316 LN austenitic stainless steel extra-thick plates at 4.2 K ［J］. Materials Science and Engineering： A ， 2023 ， 862 ： 144122 .

Jiang H ， Watanabe T ， Watanabe C ， et al . Deformation behavior of heterogeneous nanostructured austenitic stainless steel at cryogenic temperature ［J］. Materials Science and Engineering： A ， 2022 ， 840 ： 142871 .

Sohrabi M J ， Mirzadeh H ， Sadeghpour S ， et al . Dependency of work-hardening behavior of a metastable austenitic stainless steel on the nucleation site of deformation-induced martensite ［J］. Materials Science and Engineering： A ， 2023 ， 868 ： 144600 .

Li S N ， Withers P J ， Kabra S ， et al . The behaviour and deformation mechanisms for 316 L stainless steel deformed at cryogenic temperatures ［J］. Materials Science and Engineering： A ， 2023 ， 880 ： 145279 .

Han W T ， Liu Y C ， Wan F R ， et al . Deformation behavior of austenitic stainless steel at deep cryogenic temperatures ［J］. Journal of Nuclear Materials ， 2018 ， 504 ： 29 - 32 .

Ren J ， Mao D S ， Gao Y ， et al . High carbon alloyed design of a hot-rolled high-Mn austenitic steel with excellent mechanical properties for cryogenic application ［J］. Materials Science and Engineering： A ， 2021 ， 827 ： 141959 .

徐桂芳，徐文慧，罗　锐，等 . 高氮低镍奥氏体不锈钢的低温性能与组织稳定性［J］. 金属热处理， 2017 ， 42 （ 2 ）： 1 - 6 .

Jin J E ， Lee Y K . Effects of Al on microstructure and tensile properties of C-bearing high Mn TWIP steel ［J］. Acta Materialia ， 2012 ， 60 （ 4 ）： 1680 - 1688 .

Hong S ， Shin S Y ， Kim H S ， et al . Effects of aluminum addition on tensile and cup forming properties of three twinning induced plasticity steels ［J］. Metallurgical and Materials Transactions A ， 2012 ， 43 （ 6 ）： 1870 - 1883 .

Zhai R Z ， Zhang H L ， Pan S L ， et al . Effect of boron addition on the microstructure and cryogenic mechanical properties of N50 stainless steel after aging treatment ［J］. Materials Science and Engineering： A ， 2023 ， 881 ： 145372 .

Sitko M ， Skoczeń B ， Wróblewski A . FCC-BCC phase transformation in rectangular beams subjected to plastic straining at cryogenic temperatures ［J］. International Journal of Mechanical Sciences ， 2010 ， 52 （ 7 ）： 993 - 1007 .

Du J ， Strangwood M ， Davis C L . Effect of TiN particles and grain size on the charpy impact transition temperature in steels ［J］. Journal of Materials Science & Technology ， 2012 ， 28 （ 10 ）： 878 - 888 .

Weiss K P ， Kraskowski A ， Koukolíková M ， et al . Mechanical properties after thermomechanical processing of cryogenic high-strength materials for magnet application ［J］. Fusion Engineering and Design ， 2021 ， 168 ： 112599 .

Gutierrez-Urrutia I ， Zaefferer S ， Raabe D . The effect of grain size and grain orientation on deformation twinning in a Fe-22wt.% Mn–0.6wt.% C TWIP steel ［J］. Materials Science and Engineering： A ， 2010 ， 527 （ 15 ）： 3552 - 3560 .

Hoffman A K ， Umretiya R V ， Crawford C ， et al . The relationship between grain size distribution and ductile to brittle transition temperature in FeCrAl alloys ［J］. Materials Letters ， 2023 ， 331 ： 133427 .

陈　欢 . 晶粒尺寸对高锰奥氏体低温钢强韧性和加工硬化行为的影响［D］. 北京：钢铁研究总院， 2018 .

Views

下载量

CSCD

CNKI被引量

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

Effect of Tempering Process on Microstructure and Mechanical Properties of Dual Phase High Strength Bridge Steel with Low Yield Ratio

Effect of Solution Heat Treatment Temperature and Cooling Mode on Microstructure and Mechanical Property of Ni-Cr-Mo-Co Alloy

Mechanical Properties of Ni-Cr-Al Alloy Cold Drawn Bar

Effect of Cold Drawing Deformation and Annealing Treatment on Microstructure and Properties of GH4169 Wire

Effects of LB/M Duplex Phase Heat Treatment on Microstructure and Mechanical Properties of Cold Working Die Steel DC53

Related Author

Liu Guanyou

Sun Xianjin

Du Pengju

Yu Xinyun

Nie Yihong

Yang Xiaoyu

Wang Dapeng

Bai Xinghong

Related Institution

Jiangyin Xincheng Special Steel Works Co.， Ltd.， Jiangyin

China First Heavy Industries

Tianjin Heavy Industries Research & Development Co.， Ltd.

State Key Laboratory of Metastable Material Science and Technology， Yanshan University

Institute of Functional Materials， Central Iron and Steel Research Institute Limited

⁰