Алюминиевые сплавы относятся к числу немногих конструкционных металлов, которые при понижении температуры до абсолютного нуля становятся более прочными, а не более хрупкими. Такое поведение делает их выбором по умолчанию для хранилищ сжиженного природного газа, воздухоразделительных колонн, сверхпроводящих магнитных конструкций и криогенных испытательных стендов, где стали потребуются марки стали, прошедшие испытания на ударные-испытания, и тщательный контроль переходной-температуры. Причина кроется в кристаллической структуре и способе движения дислокаций, когда тепловая энергия практически отсутствует.
Почему гранецентрированная кубическая структура важна при низкой температуре
Алюминий имеет гранецентрированную кубическую решетку с двенадцатью системами скольжения и не демонстрирует перехода от пластичного-к-хрупкому виду, который наблюдается в объемноцентрированных кубических сталях. Снижение температуры увеличивает напряжение, необходимое для перемещения дислокаций, при этом количество доступных систем скольжения остается неизменным, поэтому материал затвердевает, не теряя способности пластически деформироваться. Вот почему алюминиевый компонент можно закалить в жидкий азот или жидкий гелий без внезапной потери ударной вязкости, которая свойственна ферритной стали.
Высокая теплопроводность алюминия действует в том же направлении: он равномерно распределяет тепло по компоненту, ограничивая локальные температурные градиенты, которые в противном случае могли бы вызвать высокие вторичные напряжения в стенке резервуара или опорной стойке.
Тенденции механических свойств ниже -150 градусов
Большинство алюминиевых сплавов приобретают предел прочности и текучести, когда температура падает ниже -150 градусов, в то время как удлинение либо увеличивается, либо остается практически стабильным, поскольку движение дислокаций подавляется и деформация распространяется по решетке, а не локализуется.
Предел прочности постепенно возрастает до температуры жидкого гелия, причем наибольший относительный прирост наблюдается в семействах 5xxx и 1xxx.
Удлинение сохраняется или улучшается; Например, сплав 5083 сохраняет удлинение более 20% при -269 градусах.
Чувствительность к надрезу падает, поэтому образцы с надрезом при растяжении испытывают меньшие разрушения по сравнению с гладкими образцами, чем при комнатной температуре.
Рост усталостных трещин может ускориться при жестком термоциклировании, поэтому оценка термической усталости необходима для криогенных компонентов, подвергающихся циклическим нагрузкам.
Вязкость разрушения остается высокой, и это свойство позволяет семейству сплавов использоваться в условиях защитной изоляции.
Металлургические изменения при криогенной температуре
Интересные изменения носят скорее термодинамический, чем структурный характер. Растворимость легирующих элементов, таких как магний, резко падает с понижением температуры, поэтому содержание любого растворенного вещества намного превышает предел равновесия. Однако диффузия эффективно замораживается, поэтому дисперсионное твердение не может продолжаться и во время эксплуатации не происходит пере-старения. Практические эффекты таковы:
Атомы растворенного вещества продолжают закреплять дислокации, что является одной из причин повышения предела текучести.
Процессы, контролируемые диффузией-, включая осаждение и восстановление, практически полностью подавляются.
В отличие от объемно--кубических металлов переход от пластичного-к-хрупкому не происходит.
Тепловое сжатие необходимо учитывать при проектировании, поскольку сжатие алюминия отличается от сжатия стали или композита, к которым он часто прикрепляется болтами.
Именно эти характеристики позволяют использовать алюминий в качестве структурных компонентов сверхпроводящих магнитных систем, где необходим не-магнитный, стабильный по размерам и теплопроводящий материал при температуре жидкого гелия.
Выбор сплава для криогенной эксплуатации
| Ряд | Криогенное поведение | Типичное использование |
|---|---|---|
| 5xxx (Al-Mg) | Исключительная прочность и сохранение пластичности; 5083 сохраняет удлинение более 20% при -269 градусах. | Резервуары СПГ, криогенные сосуды, сварные конструкции |
| 6xxx (Al-Mg-Si) | Хорошая свариваемость и умеренная прочность; свойства стабильны после отпуска | Компоненты и опоры криогенных сосудов |
| 1xxx (высокая чистота) | Очень высокая проводимость с низким магнитным откликом | Компоненты сверхпроводящих магнитов и детали криостата |
| 3xxx (Ал-Mn) | Хорошая формуемость и умеренная криогенная прочность. | Применение теплообменников и воздуховодов |
Серия 5xxx остается «рабочей лошадкой» для сварной криогенной защиты, поскольку она сочетает в себе криогенную прочность с не-термо-обрабатываемым отпуском, на который не влияет сварочное тепло. Затем выбор сплава уточняется с учетом конкретных требований к термическому сжатию и прочности компонента.
Правила сварки и изготовления для криогенной службы
Сварка — это то место, где криогенная конструкция чаще всего терпит неудачу, поэтому производство контролируется квалифицированными процедурами, а не мнением оператора.
Выбор присадочного металла должен предотвращать растрескивание при затвердевании; соответствующие магниевые наполнители или немного более высокие-типичны для основного металла 5xxx.
Риск пористости контролируется за счет чистоты, сухого защитного газа и расходных материалов, не содержащих влаги,-поскольку поглощение водорода является основным источником пористости сварного шва.
Несоответствие температурного расширения между сварным швом и прилегающей конструкцией вызывает остаточное напряжение, которое контролируется за счет проектирования соединения, сбалансированной последовательности сварки и предварительной-деформации, где это необходимо.
Термическую обработку после-сварки обычно избегают при работе 5xxx, поскольку она дает мало пользы и может ухудшить свойства; для термообработанных-сплавов его контролируют, чтобы не разрушался отпуск.
Квалификация процедуры соответствует соответствующему стандарту сварки, например ISO 15614-2 или ASME, раздел IX, а сама опорная плита соответствует стандарту ASTM B209 или GB/T 3880.
Проверка ударной вязкости и ударной вязкости проводится при температуре эксплуатации, а не при комнатной температуре.
Часто задаваемые вопросы
Вопрос: Почему алюминиевые сплавы не становятся хрупкими при криогенной температуре?
Их гранецентрированная кубическая решетка сохраняет активность двенадцати систем скольжения при понижении температуры, поэтому металл затвердевает без пластичного-перехода в-хрупкий переход, наблюдаемый в объемноцентрированных кубических сталях.
Вопрос: Какой алюминиевый сплав наиболее широко используется для локализации СПГ?
Сплав 5083 является эталонным материалом: он сохраняет удлинение более 20 % при -269 градусах, сваривается без проблем, связанных с термической обработкой, и сохраняет высокую вязкость разрушения при рабочей температуре.
Вопрос: Увеличивается ли прочность при охлаждении алюминия ниже -150 градусов?
Да. Предел текучести и предел текучести постепенно возрастают по мере падения температуры, что обусловлено повышенным сопротивлением движению дислокаций, а пластичность обычно одновременно сохраняется или улучшается.
Вопрос: Можно ли сваривать алюминий для криогенных сосудов без термообработки после-сварки?
Для сплавов 5xxx термообработка после-сварки, как правило, не требуется, и ее избегают, но процедура сварки все равно должна быть сертифицирована в соответствии с признанным стандартом для контроля пористости, растрескивания и остаточных напряжений.
Вопрос: Каков основной риск проектирования криогенных алюминиевых конструкций?
Несоответствие термического сжатия прилегающей стальной или композитной конструкции, которое создает остаточные и вторичные напряжения, а также рост усталостных трещин при повторяющихся термических циклах.
Вопрос: Почему в сверхпроводящих системах используется алюминий высокой-чистоты 1xxx?
Он сочетает в себе высокую теплопроводность с низким магнитным откликом и остается пластичным при температуре жидкого гелия, что подходит для структурных компонентов криостата и магнита.
