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低溫壓力容器的設計重點是選材，并相應地在制造、結構上加以某些限制。

低溫壓力容器受壓元件所采用的鋼材必須是鎮靜鋼。材料的許用應力取常溫20℃的數值，強度計算方法按GB 150.3 的規定。

低應力脆性斷裂現象

自從19 世紀末以來，在嚴寒地帶的鐵軌、橋梁和結構件曾發生一系列低溫脆性斷裂事故，由于當時科學技術的限制，鋼材的冷脆問題研究未取得實質性的進展， 20 世紀40 年代以來，許多船舶、壓力容器、管道、化工設備及大型結構，特別是一些焊接結構，多次發生低應力脆斷，造成了巨大的損失。因此，低應力脆斷就成為人們非常關注的課題，通過大量事故的調查分析，可以總結出低應力脆斷具有下列特點。

①斷裂時容器的工作壓力比較低，其斷裂名義應力低于材料的屈服強度，在斷裂之前沒有或者只有局部極小的塑性變形。

②裂紋擴展速率大。

③低應力脆斷多屬解理斷裂或準解理斷裂，斷口具有晶粒狀的特點，光亮而平滑。

④ 低應力脆斷往往發生在有缺口或裂紋的容器上，并以筒體自身存在的各種工藝缺損及雜質作為裂紋源。

⑤斷裂一般發生在較低溫度下，此時材料的韌性很差。

從上述低應力脆性斷裂的特點結合斷裂力學原理，對金屬斷裂機理進行分析，發現金屬的低溫韌性，即缺口尖端處的金屬微觀塑性變形能力決定壓力容器抵抗應力脆斷破壞的能力。

影晌低溫韌性的因素

（1）晶體結構的影響

試驗表明，具有體心立方總陣（bcc）結構的鐵素體鋼的脆性轉變溫度較高，脆性斷裂傾向較大，密排六方結構（hcp）次之，面心立方結構（fcc） 的金屬如銅、鋁、鎳和奧氏體類鋼則基本上沒有這種溫度效應，即沒有低應力脆斷。

事實上除非存在第二相或處于導致產生應力腐蝕開裂的環境下，面心立方金屬一般不發生脆性斷裂，其主要原因是當溫度降低時，面心立方金屬的屈服強度沒有顯著變化，而且不易產生形變孿晶，位錯容易運動，局部應力易于松弛，裂紋不易傳播，一般沒有脆性轉變溫度。

但是體心立方金屬則不同，在中溫區域，其強度（特別是屈服強度）受雜質、載荷速度和合金元素的影響非常明顯，而在0.2T0（T0為金屬的熔點，單位為K） 以下的低溫區域內隨溫度的降低，其屈服強度增加很快，最后幾乎與抗拉強度相等，尤其是在低溫下容易產生形變孿晶，故易引起低應力脆性斷裂。

（2） 化學成分的影響

對低溫壓力容器用鋼而言， 增加含碳量，將增大材料的脆性，使脆性轉變溫度急劇上升，所以低溫用鋼的含碳量不超過0.2 % ，近年來國外有一種發展和應用低碳（ < 0.15 %）或微碳（<0 . 06%） 鋼的明顯趨勢。

錳元素是擴大奧氏體區的元素，含錳量增加能使鋼材得到細致而富有韌性的鐵素體和珠光體晶粒，因而可改善鋼材在低溫下的韌性。含碳量一定時，提高錳比值可以得到較低的無延性轉變溫度，降低碳含量，提高錳碳比，其無延性轉變溫度降低，鋼板的允許使用溫度降低。

鎳也是提高鋼材低溫韌性的重要元素，甚至更優于錳，當含鎳3. 5% 時，可以使鋼在-100℃仍保持很高的韌性，而含鎳9 % 的鋼可用作液氮容器，耐-196℃的低溫。

在含錳的鐵素體類低溫用鋼材中，添加少量V 、Ti 、Nb 、Al 等含金元素，通過軋制或隨后的熱處理，使碳化物、氮化物彌散析出進行沉淀強化，從而獲得較高的強度和良好的低溫韌性。

（3） 晶粒度的影響

晶粒尺寸是影響鋼的低應力脆斷的重要因素，細晶粒不僅使金屬有較高的斷裂強度，而且使脆性轉變溫度降低，這是由于晶界存在雜質和脆性相，往往是裂紋源。

晶粒細化，一方面使單位面積上脆性相相對減少，表面能提高，裂紋形核和擴展的概率降低，從而提高了鋼的低溫抵抗脆斷能力，另一方面細晶粒鋼性能比較均勻，降低了脆性轉變溫度。

（4）夾雜物的影響

磷易產生晶界偏析，鋼中的氧以各種氧化物的形式在晶界析出，兩者都極大地提高了鋼的脆性轉變溫度，導致低應力脆斷，因此低溫用鋼必須充分脫氧。例如鎮靜鋼的低溫韌性優于沸騰鋼；若用Si + AI 、AI + Ti （V 、Nb） 綜合脫氧，可進一步細化晶粒，其低溫韌性更好。

充分脫氧不僅能有效地降低氧、硫、磷及其他氣體含量，而且還使夾雜物球化，減少位錯的塞積，從而降低鋼的脆性轉變溫度。

試驗表明，極純金屬的低溫脆性與晶粒類型無關。例如不含碳、氮、氧、硼的純鐵，即使在4K 的低溫也是可塑的。而雜質（特別是晶界脆性相）對低應力脆斷影響很大，如25 %Cr 的Fe- Cr 合金中微量的碳、氧、氮是促進低應力脆斷的重要原因。

（5） 熱處理和扭微組織的影響

熱處理對鋼的低應力脆斷有很大影響。調質處理是獲得鐵素體和粒狀碳化物組織的常用方法，可以明顯改善鋼材的低溫韌性。但隨著調質處理回火溫度的上升，粒狀碳化物的聚集反而影響低溫韌性，所以應嚴格控制調質處理時的回火溫度不致過高。

正火是低溫用鋼采用最多的熱處理方法。鋼材中合金元素增多，則正火溫度應相應提高。而鋼的退火組織比正火組織粗大，其低溫韌性遠比經正火或調質處理的差，所以，低溫壓力容器用鋼都不進行退火處理。需進行焊后熱處理的低溫壓力容器及其受壓元件，在任何情況下，焊后熱處理的溫度都不應超過鋼材的回火溫度。

熱處理還有抑制脆性相從晶界析出，改變析出相的形態、大小、數量、分布，均勻組織，改善鋼的強度和低溫韌性的作用。在回火組織（回火馬氏體）中有一定量的殘余奧氏體或鐵素體，可有效地阻止裂紋擴展。淬火時效和應變時效，都使鋼的脆性轉變溫度升高，增大低應力脆斷的敏感性，因此對時效敏感的沸騰鋼不宜作低溫用鋼。

（6） 冷變形的影響

冷變形使鋼的韌性降低，應變時效更使低溫韌性惡化，脆性轉變溫度升高，所以對于大型高壓容器，在使用時必須重視缺口韌性。因為在制作過程中， 冷變、冷壓、焊接變形等，都會導致脆化，故冷變形及焊接后應進行低溫退火。

（7）應力狀態的影響

低應力脆斷與應力狀態關系很大。當容器存在裂紋或缺口時， 容易產生低應力脆斷。缺口愈尖銳。 預裂紋尺寸愈大，愈容易引起低應力脆斷。當焊接接頭中有裂紋存在，又具有殘余應力時，低應力脆斷更為明顯。

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