一般所說的低溫，定義很廣，通常在冷藏和冷凍使用范圍的低溫是從0℃開始到-100℃左右或超低溫。低溫的范圍不同，其特性大不相同。生產(chǎn)工業(yè)用氮或氧時，將空氣在超低溫中進(jìn)行冷卻，則可分離出液態(tài)氮（液化溫度-196℃）和液態(tài)氧（-183℃）。還有，近年來，作為對環(huán)境污染很少的能源-天然氣，在生產(chǎn)裝置的超低溫工況下，冷卻成為液化天然氣（LNG：液化溫度-162℃），使用LNG船就可以大規(guī)模地將生產(chǎn)的液化天然氣（LNC）運(yùn)輸?shù)絻Υ婊?。低溫環(huán)境和使用材料實例如圖4-11所示。奧氏體系列不銹鋼是在超低溫狀態(tài)下使用的優(yōu)秀材料。

  還有在超導(dǎo)粒子加速器中，為了能在絕對溫度（-273℃）附近的環(huán)境溫度下使用，需開發(fā)和使用在超低溫狀態(tài)下仍為非磁性、高強(qiáng)度的特殊奧氏體型不銹鋼。

  普通鋼是一種高強(qiáng)度材料，但在低溫環(huán)境中，因其強(qiáng)度和韌性都有所減弱，在使用上受到限制。為此添加鎳（Ni）成為特殊鋼，可按規(guī)定的用途使用。馬氏體型、鐵素體型和奧氏體型不銹鋼，分別在常溫以及高溫環(huán)境中具有各自優(yōu)越的特性，但在低溫環(huán)境中，馬氏體型不銹鋼和鐵素體型不銹鋼，與普通鋼一樣，低溫性能不佳，在使用上要謹(jǐn)慎和注意。而奧氏體型不銹鋼，因具備優(yōu)良的低溫特性而被大量使用。

低溫鋼必須具有的主要性能：

  ①.韌性-脆性轉(zhuǎn)變溫度低于使用溫度；

  ②. 滿足設(shè)計要求的強(qiáng)度；

  ③. 在使用溫度下組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；

  ④. 具有良好的焊接性和加工成形性；

  ⑤. 某些特殊用途還要求極低的磁導(dǎo)率、冷收縮率等。

1. 低溫下不銹鋼的物理性能

  不銹鋼在低溫下，電阻、線膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率、質(zhì)量熱容和磁性都會發(fā)生很大變化。電阻，線膨脹系數(shù)在低溫時變??；熱導(dǎo)率、質(zhì)量熱容在低溫時急劇減少；楊氏模量（縱彈性模量）在溫度下降的同時增大。因為奧氏體型不銹鋼具有低溫的Ms點（馬氏體變態(tài)起始溫度），所以當(dāng)保持在M3點以下時，即可生成馬氏體。低溫時馬氏體的生成，才使奧氏體型不銹鋼的代表鋼種06Cr19Ni10（304）在常溫下是非磁性的，而在低溫環(huán)境中變?yōu)橛写判浴?/span>

2. 不銹鋼低溫特性

  低溫脆化-在低溫環(huán)境中，變形能量小。在低溫環(huán)境中，延伸率和斷面收縮率降低的現(xiàn)象稱為低溫脆化。多在鐵素體型的體心立方（bcc）晶格組織上產(chǎn)生。

  低溫加工（低溫處理）-將馬氏體型不銹鋼從奧氏體化溫度淬火后再冷卻到極低的溫度，以促進(jìn)產(chǎn)生馬氏體的淬火方法。適合于容易生成殘留奧氏體的不銹鋼。

  奧氏體型不銹鋼具有優(yōu)越的低溫特性。022Cr19Ni10（304L）和022Cr17Ni12Mo2（316L）這兩種鋼的抗拉強(qiáng)度在低溫時，均有所上升。近年來，又開發(fā)了借助于添加氮（N）而控制材料強(qiáng)度的技術(shù)。添加氮（N），也對超低溫狀態(tài)下的透磁率帶來影響。所以氮（N）成為改善特性的有效元素，含氮（N）06Cr17Ni12Mo2N（316N）低溫的延展性達(dá)到30％以上，是充分而穩(wěn)定的，而且奧氏體穩(wěn)定程度比 06Cr17Ni12Mo2（316），022Cr17Ni17Mo2（316L）具有更優(yōu)良的低溫特性。如前所述，有必要注意奧氏體型不銹鋼的低溫馬氏體生成的影響。

  奧氏體不銹鋼在低溫狀態(tài)下，因為具有Ms點，所以如果保持在Ms點以下時，則可生成馬氏體。

  因為Ms點的溫度值依化學(xué)組成（Ni當(dāng)量）的變化而變化，12Cr17Ni7 （301）約為-10℃，06Cr19Ni10（304）約為-50℃，06Cr25Ni20（310S）則為-150℃。Ms點對低溫裝置材料的選用是一個重要因素。雖說Ms點以下的低溫，就生成馬氏體，但在Ma（變形導(dǎo)致馬氏體形成的最高溫度）點以下時，發(fā)現(xiàn)仍可以進(jìn)行加工。在Ma點和Ms點的中間溫度進(jìn)行加工時，因加工感應(yīng)馬氏體產(chǎn)生變態(tài)，顯示出在低溫下，其延展性增加。

  對于奧氏體穩(wěn)定程度不同的12Cr17Ni7（301），06Cr19Nil0（304）和20Cr25Ni20（310），在Ms點以下進(jìn)行加工時，隨著加工溫度的降低強(qiáng)度增加。按鋼種不同排列，其強(qiáng)度增加的次序為12Cr17Ni7（301）＞06Cr19Ni10（304）＞20Cr25Ni20（310），像12Cr17Ni7（301）那樣的奧氏體穩(wěn)定度越差的材料，其強(qiáng)度增加就越明顯。

  06Cr19Ni9（304）在超低溫下進(jìn)行拉伸試驗時，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖居然出現(xiàn)的激烈的鋸齒形狀曲線（突出鋸齒狀曲線），這是由于受拉伸而生成馬氏體的緣故。隨著應(yīng)力的增大，其組織引起Y相→α相或密排六方晶格（hcp）ε相→α相的變態(tài)。同時表示產(chǎn)生了應(yīng)力緩和。