1.2. Хладостойкие материалы
1.2.1. Критерии и классификация хладостойких материалов
Хладостойкими называют материалы, сохраняющие достаточную вязкость при низких температурах от 0 до -269 оС (273 - 4 К).
Воздействию низких температур подвергаются стальные металлоконструкции (полотно железных дорог, трубы газо- и нефтепроводов, мосты и др.), строительные машины, автомобили, вагоны в северных районах страны, охлаждаемые до температур климатического холода (-60 °С); обшивка самолетов, детали ракет и космических аппаратов, охлаждаемые от 0 °С до температуры жидкого кислорода (-183 °С); специальное оборудование физики низких температур, детали, узлы и трубопроводы холодильной и криогенной техники, которые используются для получения, хранения и транспортировки сжиженных газов, охлаждаемых вплоть до температур жидкого гелия (-269 °С).
Понижение температуры эксплуатации сопровождается увеличением статической и циклической прочности, снижением пластичности и вязкости, повышением склонности к хрупкому разрушению. Важнейшее требование, определяющее пригодность материала для низкотемпературной службы, - отсутствие хладноломкости. Хладноломкость - свойство материала терять вязкость, хрупко разрушаться при понижении температуры. Хладноломкость характерна для железа, стали, металлов и сплавов с ОЦК и ГПУ решетками. Хладноломкость этих материалов оценивается температурным порогом хладноломкости t50 , который определяют по результатам ударных испытаний образцов с надрезом при понижающейся температуре. При температуре t50 в изломе образца присутствует 50 % волокнистой составляющей, и величина ударной вязкости снижается наполовину.
Для надежной работы материала необходимо обеспечить температурный запас вязкости. Это достигается тогда, когда температурный порог хладноломкости материала расположен ниже температуры его эксплуатации. Необходимая величина температурного запаса вязкости висит от факторов, влияющих на склонность к хрупкому разрушению (наличия концентраторов напряжений, скорости нагружения, размеров детали).
Чем больше температурный запас вязкости, тем меньше опасность хрупкого разрушения материала, выше его эксплуатационная надежность.
Металлы и сплавы с ГЦК решеткой, а также титан и его сплавы с ГПУ решеткой не имеют порога хладноломкости; при охлаждении у них ударная вязкость уменьшается монотонно. Хладостойкость таких материалов оценивается температурой, при которой ударная вязкость не менее 0,3 МДж/м2 (рис. 1.1).
Кроме критериев хладостойкости, основанием для выбора материала служат также показатели прочности (σт, σв), физические и технологические свойства, совместимость с окружающей средой, стоимость материала. Важным критерием хладостойкости является критерий К1с - вязкость разрушения в условиях плоской деформации. Однако недостаток данных о значениях К1с при низких температурах пока ограничивает его применение при выборе материалов.
Из физических свойств материала наиболее важны тепловое расширение, теплопроводность, теплоемкость. Чем меньше тепловое расширение материала, тем меньше термические напряжения в деталях и конструкциях при термоциклировании. От теплоемкости и теплопроводности зависит быстрота захолаживания материала при термоциклировании. При особо низких температурах, начиная от температуры жидкого азота (-196 °С), теплопроводность и теплоемкость уменьшаются более чем в 10 раз. Изменение этих свойств неодинаково влияет на быстроту захолаживания материалов при термоциклировании. Чем меньше теплоемкость и больше теплопроводность, тем легче захолаживается криогенное оборудование и быстрее выходит на рабочий режим.
Наиболее важные технологические свойства - свариваемость и пластичность. Сварку широко применяют в производстве конструкций и герметичной криогенной аппаратуры. Пластичность необходима для изготовления тонких листов и тонкостенных элементов, менее склонных к хрупкому разрушению, чем массивные детали.
Совместимость с окружающей средой определяется взаимодействием материала с кислородом и водородом - наиболее распространенными средами в криогенной технике. В контакте с кислородом возможно воспламенение материалов (титана, алюминия и их сплавов). Водород растворяется во многих металлах и вызывает охрупчивание сталей с ОЦК решеткой и сплавов на основе титана.
Рис. 1.1. Зависимость ударной вязкости (а) и предела текучести (б) конструкционных материалов от температуры:
1-сталь 12Х18Н10Т, закалка в воде от 1100°С;
2 - сталь 0Н9, закалка в воде от 980 оС, отпуск при 600 °С;
3- сплав ВТ5 - 1, отжиг при 750 °С;
4 -сталь 03Х9К14Н6М3Т, закалка на воздухе от 950 °С, старение;
5 - сплав АМг5, отжиг при 400°С.
Основными группами хладостойких материалов являются низкоуглеродистые стали с ОЦК и ГЦК структурой, алюминий и его сплавы (AMц, АМг, АМг5 и др.), титан и его сплавы (ВТ1, ВТ5, ОТ4 и др.), некоторые пластмассы (фторопласт-4, полиамиды, пористые полистирол, полиуретан). Среднеуглеродистые улучшаемые стали, а также мартенситно-стареющие стали используют ограниченно, когда к отдельным деталям холодильного оборудования предъявляются требования повышенной прочности и твердости. Примеры нижнего температурного порога использования некоторых хладостойких сплавов приведены в табл. 1.3.
Таблица 1.3
Температурные интервалы применения сталей и сплавов
Материал
|
Граничная температура надежной работы материала, °С
|
без дополнительной обработки
|
после улучшения хладостойкости
|
1
|
2
|
3
|
Сталь:
|
углеродистая обыкновенного качества
|
-20
|
-50
|
углеродистая качественная
|
-30
|
-60
|
низколегированная типа 09Г2С
|
-40
|
-60
|
никелевая:
|
|
|
с 6 % Ni (0H6)
|
-100
|
-150
|
с 9 % Ni (0H9)
|
-150
|
-196
|
мартенситно-стареющая 03Х9К14Н6М3Т
|
-196
|
-253
|
аустенитная:
|
|
|
хромомарганцевая 03Х13АГ19
|
-130
|
-196
|
хромоникелевая 12Х18Н10Т
|
-253
|
-269
|
Инвар 36Н
|
-269
|
-269
|
Алюминий и его сплавы:
|
АД1, АМц
|
-269
|
-269
|
с магнием (АМг1, АМг5)
|
-253
|
-269
|
дюралюминий (Д16)
|
-196
|
-253
|
высокопрочные (типа В95)
|
-196
|
-253
|
Сплавы на основе титана:
|
ВТ5-1
|
-253
|
-269
|
ВТ3-1
|
-196
|
-253
|
Медь и ее сплавы:
|
М1р, М2р, М3р
|
-269
|
-269
|
БрАЖН10-4-4
|
-196
|
-253
|
Л63, ЛЖМц59-1-1
|
-253
|
-269
|
БрБ2
|
-269
|
-269
|
1.2.2. Хладостойкие стали
Применимость сталей при тех или иных температурах зависит от их кристаллического строения (наличия ОЦК или ГЦК решетки).
Стали с ОЦК решеткой используют главным образом для работы при температурах климатического холода. Температурная граница их применения ограничивается порогом хладноломкости, который в зависимости от металлургического качества стали и ее структуры составляет от 0 до -60 °С. Эффективными мерами снижения порога хладноломкости и повышения надежности работы являются уменьшение содержания углерода, создание мелкозернистой структуры (размер зерен 10 - 20 мкм), понижение содержания вредных примесей и их нейтрализация добавками редкоземельных металлов, а также ванадия, ниобия, титана, легирование никелем и применение термического улучшения (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Зависимость порога хладноломкости (t50) никелевых сталей с
0,05 % углерода от содержания никеля
Основное применение получили низкоуглеродистые стали, так как с увеличением содержания углерода повышается порог хладноломкости и ухудшается свариваемость стали.
Стали обыкновенного качества (спокойные, полуспокойные и кипящие) применяют для разнообразных изделий, включая сосуды, работающие под давлением. Минимальная рабочая температура этих сталей без специальной обработки для низкотемпературной эксплуатации ограничивается –20 °С (см. табл. 1.3), а у кипящих сталей находится в пределах от 0 до - 10 °С, так как у них порог хладноломкости на 10 - 20 °С выше, чем у таких же спокойных сталей. Комплексом мер, включающих улучшение металлургического качества, измельчение зерна и микролегирование, удается снизить допустимую температуру эксплуатации этих дешевых сталей до -50 °С (см. табл. 1.3). Хотя стоимость металла при этом увеличивается, она все же остается ниже стоимости легированных материалов. При использовании сталей при температурах ниже 0 °С необходима отработка конструкции деталей - устранение опасных концентраторов, использование тонкостенных элементов, в которых облегчены температурные деформации. Для крупных конструкций используют свариваемые низколегированные стали повышенной прочности 09Г2С, 14Г2АФ и др. Кроме низкоуглеродистых сталей используют среднеуглеродистые улучшаемые и пружинные стали (45, 40Х, 65Г, 60С2А). Минимальная рабочая температура для них установлена -50 °С.
Стали с никелем имеют лучшую хладостойкость: стали 12ХН3А и 18Х2Н4МА после термического улучшения применяют вплоть до температуры -196 °С.
Никелевые стали 0Н6 и 0Н9 содержат не более 0,05 % С, их применяют в улучшенном состоянии (закалка или нормализация от 830 - 900 °С и отпуск при 600 °С). Они имеют мелкозернистую структуру, вязки, пластичны, хорошо свариваются. По сравнению с аустенитными сталями они прочнее, лучше проводят теплоту и почти вдвое дешевле. Тепловое расширение никелевых сталей также меньше. Их используют для крупных конструкций, включая танкеры для перевозки сжиженных газов. Недостатком никелевых сталей является посредственная стойкость против атмосферной коррозии.
Аустенитные стали с ГЦК решеткой сохраняют высокую пластичность и вязкость ниже –196 °С. Переход аустенита в мартенсит при низких температурах нежелателен: увеличиваются размеры деталей, появляется склонность к хрупкому разрушению. Стабильность аустенита обеспечивают повышением содержания аустенитообразующих элементов (Ni, N, Mn) свыше 15%.
Недостаток аустенитных сталей - низкий предел текучести. Наряду со сталями 12Х18Н10Т применяют более прочные хромомарганцевые стали (03Х13АГ19) и специальные дисперсионно-твердеющие стали: 10Х11Н23Т33МР, 10Х11Н20Т3Р.
Инвар 36Н (36% Ni, остальное Fe) отличается малым тепловым расширением и стабильной ГЦК структурой. В изделиях из инвара при изменении температуры возникают малые термические напряжения, в конструкциях не требуются компенсаторы деформации. Применение инвара ограничивается недостаточной коррозионной стойкостью и высокой стоимостью.
Мартенситно-стареющие стали (см. табл. 1.3) используются для деталей холодильных машин (подпятники, валики, клапаны и др.), когда необходимы повышенная прочность и высокая твердость.
1.2.3. Хладостойкие цветные сплавы
Алюминий и его сплавы, не имея порога хладноломкости, остаются вязкими при температурах до минус 253 - 269 °С. При охлаждении σв у них повышается на 35-60 %, σ02 - на 15-25%, а ударная вязкость монотонно уменьшается до 0,5 - 0,2 МДж/м2 . Вязкость разрушения К1с практически не уменьшается, а это значит, что алюминиевые сплавы при охлаждении менее чувствительны к надрезам, чем при 25 °С. Из-за большого теплового расширения (значительной теплопроводности) алюминия при жестком закреплении элементов конструкций в них неизбежны значительные термические напряжения. Для их уменьшения применяют компенсаторы деформации или отдельные части конструкции (например горловины криостатов) изготовляют из материалов с меньшей теплопроводностью, например из аустенитных сталей или пластмасс. При низких температурах (от -253 до -269 °С) чаще всего используют алюминий и термически неупрочняемые свариваемые сплавы АМц, АМг2, АМг5. Для несвариваемых изделий, работающих до температуры -253 °С, используют деформируемые термически упрочняемые сплавы Д16, АК6, АК8, а также литейные сплавы АЛ2, АЛ9.
Титан и его сплавы не охрупчиваются при температурах от -196 до -269 °С (см. табл. 1.3) и из-за большой удельной прочности используются в космической технике. Широко применяют технически чистый титан и его однофазные сплавы ВТ5-1, ОТ4. Они пластичны, легко свариваются, и после сварки не требуется термическая обработка соединений. Более прочные, но менее пластичные сплавы ВТЗ-1 и ВТ6 с двухфазной (α + β)-структурой применяют при температурах до -196 °С. Эти сплавы свариваются хуже однофазных сплавов, и для сварных соединений необходим отжиг.
Медь и ее сплавы (латуни, бронзы) пластичны, не имеют порога хладноломкости. Кроме того, вязкость разрушения у них повышается при охлаждении. Их применяют для трубных конструкций, крепежных деталей, сварных корпусов, работающих при температурах до -269 °С. Из-за более высокой стоимости по сравнению с алюминием медь и ее сплавы все больше заменяются сплавами алюминия.
|
