低温压力容器的设计重点是选材，并相应地在制造、结构上加以某些限制。

低温压力容器受压元件所采用的钢材必须是镇静钢。材料的许用应力取常温20℃的数值，强度计算方法按GB 150.3 的规定。

低应力脆性断裂现象

自从19 世纪末以来，在严寒地带的铁轨、桥梁和结构件曾发生一系列低温脆性断裂事故，由于当时科学技术的限制，钢材的冷脆问题研究未取得实质性的进展， 20 世纪40 年代以来，许多船舶、压力容器、管道、化工设备及大型结构，特别是一些焊接结构，多次发生低应力脆断，造成了巨大的损失。因此，低应力脆断就成为人们非常关注的课题，通过大量事故的调查分析，可以总结出低应力脆断具有下列特点。

①断裂时容器的工作压力比较低，其断裂名义应力低于材料的屈服强度，在断裂之前没有或者只有局部极小的塑性变形。

②裂纹扩展速率大。

③低应力脆断多属解理断裂或准解理断裂，断口具有晶粒状的特点，光亮而平滑。

④ 低应力脆断往往发生在有缺口或裂纹的容器上，并以筒体自身存在的各种工艺缺损及杂质作为裂纹源。

⑤断裂一般发生在较低温度下，此时材料的韧性很差。

从上述低应力脆性断裂的特点结合断裂力学原理，对金属断裂机理进行分析，发现金属的低温韧性，即缺口尖端处的金属微观塑性变形能力决定压力容器抵抗应力脆断破坏的能力。

影晌低温韧性的因素

（1）晶体结构的影响

试验表明，具有体心立方总阵（bcc）结构的铁素体钢的脆性转变温度较高，脆性断裂倾向较大，密排六方结构（hcp）次之，面心立方结构（fcc） 的金属如铜、铝、镍和奥氏体类钢则基本上没有这种温度效应，即没有低应力脆断。

事实上除非存在第二相或处于导致产生应力腐蚀开裂的环境下，面心立方金属一般不发生脆性断裂，其主要原因是当温度降低时，面心立方金属的屈服强度没有显著变化，而且不易产生形变孪晶，位错容易运动，局部应力易于松弛，裂纹不易传播，一般没有脆性转变温度。

但是体心立方金属则不同，在中温区域，其强度（特别是屈服强度）受杂质、载荷速度和合金元素的影响非常明显，而在0.2T0（T0为金属的熔点，单位为K） 以下的低温区域内随温度的降低，其屈服强度增加很快，最后几乎与抗拉强度相等，尤其是在低温下容易产生形变孪晶，故易引起低应力脆性断裂。

（2） 化学成分的影响

对低温压力容器用钢而言， 增加含碳量，将增大材料的脆性，使脆性转变温度急剧上升，所以低温用钢的含碳量不超过0.2 % ，近年来国外有一种发展和应用低碳（ < 0.15 %）或微碳（<0 . 06%） 钢的明显趋势。

锰元素是扩大奥氏体区的元素，含锰量增加能使钢材得到细致而富有韧性的铁素体和珠光体晶粒，因而可改善钢材在低温下的韧性。含碳量一定时，提高锰比值可以得到较低的无延性转变温度，降低碳含量，提高锰碳比，其无延性转变温度降低，钢板的允许使用温度降低。

镍也是提高钢材低温韧性的重要元素，甚至更优于锰，当含镍3. 5% 时，可以使钢在-100℃仍保持很高的韧性，而含镍9 % 的钢可用作液氮容器，耐-196℃的低温。

在含锰的铁素体类低温用钢材中，添加少量V 、Ti 、Nb 、Al 等含金元素，通过轧制或随后的热处理，使碳化物、氮化物弥散析出进行沉淀强化，从而获得较高的强度和良好的低温韧性。

（3） 晶粒度的影响

晶粒尺寸是影响钢的低应力脆断的重要因素，细晶粒不仅使金属有较高的断裂强度，而且使脆性转变温度降低，这是由于晶界存在杂质和脆性相，往往是裂纹源。

晶粒细化，一方面使单位面积上脆性相相对减少，表面能提高，裂纹形核和扩展的概率降低，从而提高了钢的低温抵抗脆断能力，另一方面细晶粒钢性能比较均匀，降低了脆性转变温度。

（4）夹杂物的影响

磷易产生晶界偏析，钢中的氧以各种氧化物的形式在晶界析出，两者都极大地提高了钢的脆性转变温度，导致低应力脆断，因此低温用钢必须充分脱氧。例如镇静钢的低温韧性优于沸腾钢；若用Si + AI 、AI + Ti （V 、Nb） 综合脱氧，可进一步细化晶粒，其低温韧性更好。

充分脱氧不仅能有效地降低氧、硫、磷及其他气体含量，而且还使夹杂物球化，减少位错的塞积，从而降低钢的脆性转变温度。

试验表明，极纯金属的低温脆性与晶粒类型无关。例如不含碳、氮、氧、硼的纯铁，即使在4K 的低温也是可塑的。而杂质（特别是晶界脆性相）对低应力脆断影响很大，如25 %Cr 的Fe- Cr 合金中微量的碳、氧、氮是促进低应力脆断的重要原因。

（5） 热处理和扭微组织的影响

热处理对钢的低应力脆断有很大影响。调质处理是获得铁素体和粒状碳化物组织的常用方法，可以明显改善钢材的低温韧性。但随着调质处理回火温度的上升，粒状碳化物的聚集反而影响低温韧性，所以应严格控制调质处理时的回火温度不致过高。

正火是低温用钢采用最多的热处理方法。钢材中合金元素增多，则正火温度应相应提高。而钢的退火组织比正火组织粗大，其低温韧性远比经正火或调质处理的差，所以，低温压力容器用钢都不进行退火处理。需进行焊后热处理的低温压力容器及其受压元件，在任何情况下，焊后热处理的温度都不应超过钢材的回火温度。

热处理还有抑制脆性相从晶界析出，改变析出相的形态、大小、数量、分布，均匀组织，改善钢的强度和低温韧性的作用。在回火组织（回火马氏体）中有一定量的残余奥氏体或铁素体，可有效地阻止裂纹扩展。淬火时效和应变时效，都使钢的脆性转变温度升高，增大低应力脆断的敏感性，因此对时效敏感的沸腾钢不宜作低温用钢。

（6） 冷变形的影响

冷变形使钢的韧性降低，应变时效更使低温韧性恶化，脆性转变温度升高，所以对于大型高压容器，在使用时必须重视缺口韧性。因为在制作过程中， 冷变、冷压、焊接变形等，都会导致脆化，故冷变形及焊接后应进行低温退火。

（7）应力状态的影响

低应力脆断与应力状态关系很大。当容器存在裂纹或缺口时， 容易产生低应力脆断。缺口愈尖锐。 预裂纹尺寸愈大，愈容易引起低应力脆断。当焊接接头中有裂纹存在，又具有残余应力时，低应力脆断更为明显。