Металлы
Металлы при низких температурах становятся прочнее, но многие из них — прежде всего углеродистые стали с объёмно-центрированной решёткой — теряют пластичность и становятся хрупкими ниже порога хладноломкости, обычно −20…−40 °C. Медь, алюминий, никель и аустенитные нержавеющие стали сохраняют вязкость до криогенных температур.
Отношение прочности при растяжении к температуре для металлов, обычно используемых при низких температурах, показано на рисунке 7. Наклоны кривых указывают, что увеличение прочности с уменьшением температуры различно у разных металлов. Однако, прочность при растяжении - не лучший критерий для того, чтобы определить пригодность материала для использования при низких температурах, потому что большинство отказов следует из-за потери гибкости. Более низкие температуры могут иметь катастрофическое влияние на гибкость металла; влияние зависит в большей степени от кристаллической структуры. Металлы и сплавы, которые являются гране-центрированными кубическими (FCC) и гибкими при температурах окружающей среды, остаются податливыми и при низких температурах. Металлы этой категории включают алюминий, медь, сплавы никелина, никель, и аустенитные нержавеющие стали. Металлы и сплавы, которые имеют центральную кубическую кристаллическую решетку (BCC), типа чистого железа, углеродистой стали, и многих легированных сталей, становятся ломкими при низких температурах.
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
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, никелевые и титановые сплавы
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 % никеля 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.
| Алюминиевый сплав | Модуль упругости, ГПа | Предел текучести, МПа | Предел прочности при растяжении, МПа | Относительное удлинение при разрушении, % | Вязкость разрушения при плоской деформации, МПа·м1/2 |
|---|---|---|---|---|---|
| 1100-O | 78 | 50 | 190 | — | — |
| 2219-T851 | 85 | 440 | 568 | 14 | 45 |
| 5083-O | 80 | 158 | 434 | 32 | 61 |
| 6061-T651 | 77 | 337 | 402 | 23 | 42 |
Хрупкость металлов при низких температурах: таблица
Хрупкость металла при охлаждении зависит от типа кристаллической решётки. Металлы с объёмно-центрированной решёткой — углеродистые и низколегированные стали — ниже определённой температуры становятся хладноломкими: ударная вязкость резко падает, и деталь раскалывается без пластической деформации. Металлы с гранецентрированной решёткой — медь, алюминий, никель, аустенитные нержавеющие стали — сохраняют пластичность вплоть до температуры жидкого азота и ниже.
| Материал | Нижняя температура применения |
|---|---|
| Углеродистая сталь Ст3 | около −20…−30 °C |
| Низколегированная сталь 09Г2С | до −70 °C |
| Нержавеющая сталь 12Х18Н10Т, AISI 304 | до −196 °C и ниже |
| Медь, латунь | до −196 °C и ниже |
| Алюминиевые сплавы | до −196 °C и ниже |
| Титановые сплавы | до −196 °C, отдельные марки до −253 °C |
Поэтому трубопроводы и сосуды холодильных установок на низкие температуры делают из меди, нержавеющей стали или специальных низкотемпературных сталей, а не из обычной углеродистой. Подробнее о выборе материалов — в статье «низкотемпературные материалы».
Податливость металла — это
Податливость металла — это способность деформироваться под нагрузкой: величина, обратная жёсткости. Упругая податливость показывает, насколько деталь прогнётся или растянется на единицу силы, пластическая — насколько металл способен деформироваться без разрушения. С понижением температуры у хладноломких сталей пластичность резко падает, хотя прочность при этом даже растёт.
Как проверяют хладноломкость металла?
Хладноломкость металла проверяют испытанием на ударный изгиб: образец с надрезом охлаждают до заданной температуры и ломают маятниковым копром, измеряя работу разрушения. Температуру, при которой работа резко падает, называют порогом хладноломкости; сталь применяют только выше него с запасом.
| Фактор | Как влияет |
|---|---|
| Толщина стенки | чем толще, тем выше порог |
| Легирование никелем и марганцем | снижает порог |
| Нормализация, мелкое зерно | снижает порог |
| Сварной шов без термообработки | повышает порог в зоне шва |
| Концентраторы: надрезы, резкие переходы | повышают риск хрупкого разрушения |
Поэтому в сертификате на сталь для низкотемпературного сосуда указывают ударную вязкость именно при рабочей температуре, а не при +20 °C. Металлы с гранецентрированной решёткой — медь, алюминий, никель, аустенитная нержавеющая сталь — порога хладноломкости не имеют. Практический выбор материала для труб и сосудов описан в статье материалы трубопроводов и сосудов для низких температур; в камерах до −75 °C нижний контур собирают из таких материалов.
Частые вопросы
При какой температуре металл становится хрупким?
Углеродистые стали — ниже −20…−40 °C (порог хладноломкости зависит от марки и толщины), низколегированные — до −60…−70 °C; медь, алюминий и аустенитные нержавеющие стали хрупкими не становятся.
Какие металлы применяют для криогенной техники?
Аустенитные нержавеющие стали 12Х18Н10Т, алюминиевые сплавы, медь и латунь, никелевые сплавы, титан.
Какие металлы становятся хрупкими на морозе?
Углеродистые и низколегированные стали с объёмно-центрированной решёткой: обычная сталь Ст3 — уже ниже −20…−30 °C. Медь, алюминий, никель и аустенитные нержавеющие стали остаются пластичными до −196 °C.
Что такое порог хладноломкости?
Температура, ниже которой ударная вязкость стали резко падает и разрушение становится хрупким. Его определяют испытанием образцов с надрезом на ударный изгиб при разных температурах.
Читайте также