Металлы

Многие BCC металлы и сплавы переходят в хрупкое состояние при более низких температурах (см. сталь 1020 сталь на рисунке 8). С шестиугольной плотноупакованной кристаллической решеткой (HCP) металлы и сплавы занимают промежуточное место между FCC и BCC металлами и могут оставаться податливыми или становиться ломкими при низких температурах. Цинк становится ломким, тогда как чистый титан (Ti) и многие титановые сплавы остаются гибкими. Величины гибкости, полученные при статическом испытании на разрыв могут объяснить потерю гибкости, но испытание на ударную вязкость бруска с надрезом дает лучшее понимание относительно того, как материал ведет себя при динамической нагрузке и как он реагирует на комплексное мультинаправленное напряжение. Рисунок 8 демонстрирует величины гибкости, измеренные по проценту удлинения при испытании на разрыв в зависимости от температуры для нескольких металлов. При понижении температуры, кривые для меди и алюминия показывают увеличение гибкости, в то время как нержавеющие стали AISI 304 и Ti-6%Al-4%V показывают уменьшение.

Алюминиевые сплавы широко используются для низкотемпературного применения из-за их стоимости, свариваемости и прочности. Хотя их прочность считают незначительной, они остаются гибкими при более низких температурах. Типичные механические свойства при −196°C сведены в таблицу 5.

Алюминий 1100 (относительно чистый с 99% Al) имеет низкий предел текучести, но очень податлив и имеет высокую теплопроводность. Он применяется в неструктурных приложениях типа экранов теплового излучения. Для структурных целей часто используются сплавы 5083, 5086, 5454 и 5456. Сплавы типа 5083 имеют сравнительно высокую прочность в отожженном (0) состоянии и могут свариваться с небольшой потерей прочности в зоне термической обработки; нет необходимости в после сварочной не термической обработке. Эти сплавы используются в областях перевозок и хранения. Сплав 3003 широко используется для оребренных теплообменников, потому что он легко сваривается с Al-7%Si. Алюминий-магниевые сплавы (6000 серия) используются для прессования и штамповки для таких изделий как трубы, патрубки, стыки, и вентильные корпуса}.

Медные сплавы редко используются из-за трудностей в соединении. Медь и ее сплавы ведут себя аналогично алюминиевым сплавам при понижении температуры. Прочность обычно обратно пропорциональна ударной прочности; сплавы повышенной прочности имеют низкую ударную прочность. Пайка серебром и медью- самые успешные методы соединения меди. Латунь может использоваться в малых изделиях и легко обрабатывается. Никель и сплавы никеля не имеют склонности к излому при перемещении при понижении температуры и хорошо свариваются, но их широкое применение ограничено из-за высокой стоимости. Сплавы повышенной прочности могут использоваться при очень низких температурах. Сплавы на основе железа, с центральной кубической структурой кристаллической решетки обычно склонны к излому при перемещении при пониженной температуре.

BCC структуры железа — ферромагнетики и легко идентифицируются при помощи магнита. Чрезвычайная хрупкость часто наблюдается при более низких температурах. Таким образом, BCC металлы и сплавы обычно не используются для структурных приложений при низких температурах. Известное исключение — железные сплавы, имеющие высокое содержание никеля. Никель и марганец добавляются к железу, чтобы стабилизировать аустенитную фазу (FCC), поддерживая гибкость при низких температурах. В зависимости от количества никеля или марганца увеличивается прочность при низких температурах. Два известных высоконикелевых сплава для использования при низких температуры это 9%-ая никелевая сталь и аустенитный 36%-ый железный сплав никеля. 9%-ый сплав сохраняет хорошую гибкость при температурах до 100 K (-173°C). Ниже 100 K, уменьшение гибкости небольшое, но излома при испытании на сдвиг не происходит.

Железо, содержащее 36%-ый никель обладает необычной особенностью почти нулевой усадки при охлаждении от комнатной температуры до абсолютного нуля. К сожалению, этот сплав весьма дорог и поэтому ограниченно используется. Меньшие количества никеля могут быть добавлены к железу, чтобы понизить стоимость и понизить температурную хрупкость. Железо с 5%-ым никелем может использоваться до 150 K (-123°C), а железо с 3,5% никелем остается податливым до 170 K (-102°C). Стали с высоким содержанием никеля обычно термически обрабатываются перед использованием закалкой в воде от 800°C сопровождаемой термообработкой при 580°C. 580°C термическая обработка отпускает мартенсит, который формируется в течение закалки и дает 10%-ый стабильный аустенит, который является ответственным за улучшенную прочность изделия. Аустенитные нержавеющие стали (300 серия) широко используются для низкотемпературного использования.

Многие сохраняют высокую податливость до 4 K (-269°C) и ниже. Их привлекательность базируется на хорошей прочности, жесткости, и коррозионной стойкости, но стоится, высокой по сравнению с железо-углеродными сплавами. Термическая обработка снятия напряжения вообще не требуется после сварки, а ударная вязкость мало изменяется с понижением температуры. Популярная, доступная сталь с умеренной прочностью для низкотемпературного использования- AISI тип 304, с малоуглеродистой маркой. Где необходима более высокая прочность и сварки можно избежать, используются высокоазотистые марки. Литьевые аустенитные стали также доступны; известный пример (14-17%Cr, 18-22%Ni, 1.75-2.75%Mo, 0.5%Si Макс, и 0.05%C Макс) сохраняет превосходную податливость и прочность при чрезвычайно низких температурах.

Титановые сплавы характеризуются высокой прочностью и недостаточной теплопроводностью. Два сплава, часто используемые при низких температурах — Ti-5%Al-2.5%Sn и Ti-6%Al-4%V. Ti-6-4 сплав имеет более высокий предел текучести, но он теряет гибкость ниже приблизительно 80 K (-193°C). Низкотемпературные свойства затрагивают кислород, углерод и азот. Большое содержание этих промежуточных элементов увеличивает прочность, но уменьшает потдатливость. Экстра низкие промежуточные (ELI) марки, содержат приблизительно половину нормальных уровней, обычно используются при низких температурах. И Ti-6-4 и Ti-5-2.5 легко свариваются, но дороги и трудно формуются. Они находят применение там, где необходима высокие отношения прочность — масса или прочность-теплопроводность. Титановые сплавы не рекомендуются для приложений, где существует опасность окисления.