Лекция 4

Механические свойства при низких температурах

Общая закономерность изменения прочностных характеристик сохраняется, но показатели пластичности остаются достаточно высокими, чтобы обеспечить надежную работу стали до 4 К.

ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ

С понижением температуры прочностные показатели возрастают ( предел прочности, упругости, твердости). При этом пластичность и ударная вязкость понижается мало и у некоторых металлов возрастает ( медь, латунь).

Ударная вязкость Cu, Al , Pb, Ni при 80К в 1,2-1,5 раз выше, чем при 300К.

МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Алюминий и его сплавы

Сплавы алюминия имеют низкую плотность, обладают коррозионной стойкостью и довольно высокими механическими свойствами.

В криогенной технике ( при Т120 К) потребление алюминия составляет около 30% потребления металла ( в виде листов ).

Хорошая тепло- и электропроводность используется для изготовления различных теплообменников. Следует отметить, что от алюминия отказываются, если данные детали определяют теплопритоки к охлаждающим деталям.

Например, сосуд Дьюара из алюминия, а горловина из нержавеющей стали или полимера.

Алюминиевые сплавы имеют более высокий коэффициент линейного расширения, чем аустенитные стали. В жесткозащемленных элементах конструкций это способствует увеличению термических напряжений.

Прочность алюминиевых сплавов может достигать 500 МПа, но за счет малой плотности =2700 кг/м³ удельная прочность высокая и приближается к высокопрочным сталям.

Алюминиевые сплавы не имеют порога хладноломкости: ударная вязкость равномерно понижается с уменьшением температуры.

Сварка алюминиевых сплавов имеет ряд особенностей. При высокой теплоемкости и теплопроводности необходимо обеспечить достаточно интенсивный и концентрированный нагрев при сварке. На качество сварного шва отрицательно влияет окисная пленка – имеющая температуру плавления 2320К. Ее удаляют травлением металла в щелочном растворе , промывкой водой ( 2 раза ) , зачисткой щетками. Окончательно пленка разрушается дугой во время сварки.

Сварка необходима дуговая вольфрамовым электродом в среде инертных газов.

При качественной сварке статическая прочность сварных соединений термически непрочных сплавов близка к прочности основного металла. При циклической нагрузке прочность сварных соединений намного ниже, чем основного металла.

Пример: сплав АМr 5 - _в=120 МПа для основного металла и _в=50 МПа для сварного шва за циклов, =0,6.

При сравнении сварных изделий из аустенитных сталей и алюминиевых сплавов следует отметить, что стали имеют лучшие характеристики, однако дефицитность никеля заставляет улучшать качество сварки алюминиевых сплавов.

Наиболее широко используемые сплавы:

1.Термически непрочные

а) АмцС - система Al-Mn ( 1-1,4%) .Используется для малонагруженных трубопроводов, обечаек, днищ, пластинчато-ребристый теплообменник.

б)Магналии - система Al-Mg ( 7% )

AMr5, AMr6 . Используются для нагруженных деталей в т.ч. сварных :

обечайки , днища , фланцев, трубных решеток.

Отмечается удачное сочетание прочности, пластичности, свариваемости, коррозионной стойкости.

2.Термически упрочняемые.

АК6 , АК8 - деформируемые ( ковочные сплавы ) системы Al-Cu-Mg-Si

AK6: 1,8-2,6 Cu; 0,4-0,8Mg; 0,7-1,2 Si; 0,4-0,8 Mn

AK8: 3,9-4,8 Cu; 0,4-0,8 Mg; 0,7-1,2 Si

Используются для штампованных и кованных деталей сложной формы Т=20-423К.

Сплавы склонны к коррозионному растрескиванию под нагружением и разрушаются в зоне сварного шва.

3. Литейные сплавы. Сплавы системы Al-Si : Al2 ( силумин ) ,Al9.

Имеют хорошие литейные свойства, пониженная прочность при удовлетворительной коррозионной стойкости.

Al2 – 10-13 % Si , _в=150 МПа. Используется для литых тонкостенных сложных по конфигурации малонагруженных деталей, в том числе, испытывающих ударную нагрузку.

Al9 – 6-8 % Si; 0,2-0,4 % Mg Используется для литых тонкостенных сложных по конфигурации нагруженных деталей. Т=77-420К, _в=160-200 МПа ( т.о.-закалка).

Титан и его сплавы

Химически активен, сварка в защитном среде, удовлетворительная пластичность и вязкость до 4К, низкая теплоемкость и теплопроводность, малый коэффициент линейного расширения ( в 2 раза ниже, чем у 12Х18Н10Т )Б модуль нормальной упругости также ниже в 2 раза, поэтому приходится увеличивать толщину деталей.

ВТ5-1 - 4-6% Al; 2-3% Sn. T=2-0770 K, _в=740-900 МПа.

Применяется в космической технике.

Медь и ее сплавы

Традиционный материал в криогенике. Плотность =8900 кг/м³.

Обладает:

1. Высокой теплопроводностью;

2. Хорошими технологическими свойствами;

3. Не имеет порога хладноломкости;

1.Технически чистая медь

М00 –99,99% Cu; М0 –99,95% Cu; М1-99,9% Cu; М2 – 99,7% Cu; М3-99,5% Cu.

Применяется: различные трубчатые конструкции- витые и прямотрубные ТО, трубчатые конденсаторы; листовая медь- внутренние емкости и сосуды Дьюара.

2.Латуни – сплав меди с цинком

ЛК 80-3Л – 80% Cu, 3% Zn ; _в=400 Мпа ; KCU=200 кДж/м² – корпуса арматуры, детандеры.

Л63 -63% Сu ( остальное медь) – сплав повышенной прочности; _в=430 МПа;

КСU=1200 кДж/м²

Используется в сварных и паяных деталей криогенных аппаратов:обечаек, днищ, фланцев.

ЛЖМц59-1-1 - 59% Сu , 1% Fe, 1% Mn