Металлы и низкотемпературные сплавы

Некоторые результаты, полученные в металлургии, имеют важное значение в криогенной технике. Кристаллическая система металла или сплава прямо влияет на их способность к пластическим деформациям, в зависимости от наличия или отсутствия плоскостей скольжения. Температура может изменить кристаллическое состояние некоторых металлов или сплавов и, следовательно, их механические свойства.

Различают два типа разрыва под нагрузкой:

1. Пластичный разрыв, характерный для металлических материалов, способных к значительным деформациям перед разрывом, который распространяется по линиям скольжения кристаллической системы.
2. Хрупкий разрыв (разрушение), соответствующий двум формам разрушения:
• разрушение расслоением, которое распространяется с большими скоростями без видимой деформации по особым кристаллическим плоскостям;
• межгранулярный разрыв, характеризующийся межгранулярными связями кристаллической системы.

Температура является тем параметром, который вызывает ту или иную форму разрушения. В частности, если изучают сопротивление металлических материалов при понижении температуры при медленном нагружении, сопротивление разрыву (предел прочности) и предел упругости имеют тенденцию к сближению и сталь способна разорваться без пластической деформации по типу хрупкого разрушения.

Из этого следует, что при использовании металлических материалов в криогенных условиях, где необходимы большие температурные циклы, мера их хрупкости должна быть определена: это определение состоит в уточнении опытным путем зоны перехода пластичности этих материалов.

Были проведены многочисленные более или менее сложные опыты, давшие приближенные значения температуры, при которых появляется риск развития хрупкого разрушения в данной реальной структуре.

Самое простое, но далеко не самое используемое испытание, это испытание на пластичность, которое заключается в испытании на удар посредством маятникового молота по образцу металла, опирающемуся на концевые опоры и имеющему вырез в форме V. Для того, чтобы построить кривую пластичности, достаточно разрушить серию образцов при понижающихся температурах опыта, начиная с температуры окружающей среды, и зарегистрировать для каждого значения температуры энергию, поглощенную при разрушении (эта энергия определяется по углу подъема маятника-молота, при опускании которого образец разрушается).

В области СПГ используются металлы и сплавы, имеющие и не имеющие зону перехода пластичности. Кстати, физическое свойство, которое в первую очередь следует принимать во внимание при решении вопроса о применимости металлов при низких температурах, есть их теплопроводность. Помимо металлов, в отрасли СПГ широко используют и другие криогенные материалы.

Металлы и сплавы без зоны перехода пластичности

Это семейство состоит из меди и ее сплавов, алюминия и его сплавов, никеля и его сплавов, а также аустенитных сталей.

В практике СПГ не применяются обычные сплавы, такие как:

• Бронзы на основе олова
• Латуни с содержанием цинка более 35%
• Сплавы алюминиево-цинковые
• Все сплавы, подвергнутые холодной прокатке

Сплав Ag 4 МС очень широко используется, в частности, для сооружения криогенных резервуаров.

Предпочтительная область применения семейства алюминиевых сплавов — это теплообменники.

В области СПГ используют аустенитные стали, в которых содержание железа превышает 50%. Настоятельно рекомендуют использовать для СПГ аустенитные стали с добавкой азота в условиях, когда напряжения под нагрузкой остаются ниже 80 МПа или даже 120 МПа.

Металлы и сплавы, имеющие зону перехода пластичности

Это семейство объединяет обычные нелегированные или легированные железистые стали, которые прошли термообработку и в которых снижена концентрация примесей, и особенно стали с добавкой никеля. В этих сталях происходит смещение зоны перехода пластичности в сторону низких температур. Кривые, на приведенном ниже графике, показывают характер изменения перехода зоны пластичности для различных типов сталей с содержанием никеля от 0 до 15%.

Для использования в области СПГ рекомендуется только сталь с 9%-м содержанием никеля: зона перехода пластичности ее находится ниже –186°С, механические характеристики лучше, чем у других сталей, и она достаточно экономична в производстве.

Обычно выплавляемая в электропечах, эта сталь должна иметь строго определенный состав, если хотят придать ей улучшенные механические свойства.

Сталь с содержанием никеля 9% используется преимущественно для изготовления криогенных емкостей и трубопроводов или арматуры, где встречаются трудности изготовления сложных по форме изделий.

Мартенситные стали, имеющие характеристики между аустенитными и легированными никелем сталями, структурные отвердения, могут быть использованы в криогенной технике.

Сварка металлов и сплавов, используемых в области СПГ

Медь и медные сплавы всегда свариваются классическими способами с использованием припоев с составом, аналогичным составам основных материалов.

Алюминий и его сплавы должны свариваться электросваркой в атмосфере инертного газа, лучше всего автоматическим или полуавтоматическим способом.

Сплав AG 4MC, не так часто используемый, должен свариваться с алюминиево-магниевым припоем с содержанием 5% магния (испарение магния).

Для аустенитные сталей свариваемые элементы и припои должны выбираться преимущественно из марок с очень низким содержанием углерода и с минимальным содержанием примесей для того, чтобы эти материалы, имеющие тенденцию к миграции в соединениях зерен, были бы достаточно надежного качества, чтобы не возникало межзерновой хрупкости.

Для сварки сталей с 9%-м содержанием никеля рекомендуется в качестве припоя сплав типа инконель, статические механические свойства которого и коэффициент расширения близки к аналогичным характеристикам указанных сталей и который, кроме того, не имеет зоны перехода пластичности.