Лекции (1093315), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Удельная прочность - отношение прочности к плотности = s / r

В судостроении, в авиации , для изготовления транспортных емкостей для криожидкостей используют принцип необходимости минимизации массы - алюминий и его сплавы, титан и его сплавы имеют удельную прочность выше, чем сталь.

Б) Теплоемкость - Ср ( Дж/г К )

Для всех металлов теплоемкость с понижением температуры падает на 1-2 порядка

Температура, К	Теплоемкость, Ср, Дж/г К
	12Х18Н10Т	Медь М1	Ал.сплав АМц	Тит.сплав ВТ1
300	0,47	0,380	0,879	0,52
100	0,262	0,260	0,490	0,295
20	0,0113	0,0075	0,0119	0,00712
10	-	0,0012	0,005	0,003

В) Теплопроводность - l (Вт/м К )

l - коэффициент теплопроводности - такое количество теплоты, которое передается за единицу времени сквозь единичную площадь стенки толщиной в единицу при разности температур между поверхностями стенки в 1 градус.

Теплопроводность всех металлов сильно зависит от его чистоты, чем чище металл, тем выше его теплопроводность. С понижением температуры, l , как правило, падает, но для некоторых металлов l сначала растет, затем падает.

1 - нержавеющая сталь 18-8
2 - латунь
3 - холоднотянутый алюминий
4 - отожженная медь высокой чистоты

Существенную роль при эксплуатации криогенного оборудования играет количество теплоты, которое необходимо отвести от объекта охлаждения ( т.е. при захолаживании объекта). Это особенно важно в том случае, когда велико число циклов нагрева и охлаждения. Q возрастает, С_р падает, l возрастает

Г) Показатели термического расширения

Термическое расширение одно из наиболее важных свойств конструкционных материалов.

Два показателя термического расширения:

1) Объемный коэффициент термического расширения -ß_т

Для изотропных материалов ß_т=3a_т

2) Линейный коэффициент термического расширения-aт (1/К)

-изменение длины на единицу изменения температуры, когда нагрузка на материал остается постоянной.

где l_т=l₀*(1+а_т+Т), l₀- длина образца при 0^оС, - длина образца при Т^оС.

Изменение коэффициента теплового расширения с увеличением температуры можно объяснить на основе рассмотрения межмолекулярных сил взаимодействия в материале.

С повышением температуры увеличивается энергия молекул и увеличивается пространство, занимаемое каждым атомом относительно соседних. Скорость увеличения этого среднего пространства повышается с повышением температуры ­ повышается a_т.

С падает Т ( от Т=300 К) a_т резко падает ( 2-5 раз) и принимает очень низкие значения

При Т=300 К для основных металлов a_т=(20-30) 10-6 1/К.

При понижении температуры до азотных температур Т=77 К aт=(4-5)10-6

Самый малый коэффициент aт у инвара в широком диапазоне температур ( инвар- сплав железа с 30-50% никеля).

Для компенсации длины трубопровода при охлаждении используют линзовые компенсаторы и сильфоны.

3. Технологические свойства:

Литейность, обрабатываемость давлением и резанием, свариваемость.

Количественная оценка этих свойств отсутствует.

Все многообразие криогенного оборудования представляет собой сварные конструкции. Характеристики свариваемости делятся на 4 группы:

1.хорошая свариваемость- можно варить при комнатной температуре, нет ограничений по сварке;

2.удовлетворительная свариваемость - требуется нагрев свыше комнатной температуры;

3.ограниченная свариваемость - нагрев до 600 К;

4.неудовлетворительная свариваемость - необходим отжиг перед сваркой.

4. Экономические требования.

Потребление металлических конструкционных материалов в криогенной технике

5. Механические свойства: пределы прочности, текучести, усталости

С понижением температуры у стали, как правило, прочностные характеристики повышаются , снижаются показатели пластичности ( относительные удлинение и сужение) и ударная вязкость повышается хладноломкость.

Хладноломкость - свойство некоторых металлов и сплавов переходить при понижении температуры к хрупкому разрушению без заметной пластической деформации. Материалы в ХКТ должны обладать хладноломкостью.

Для углеродистых сталей

Для сталей аустенитного класса

Разрушение металла зависит от внутренних и внешних факторов.

Внутренние факторы:

· тип кристаллической решетки;

· химический состав сплава;

· металлургические условия получения металла; (влияет на зерно)

· вид термообработки. (влияет на зерно)

Хладноломкие материалы:

1.Металлы с кристаллической решеткой типа ОЦК ( объемноцентрированного куба) - стали на основе a-железа, вольфрам, хром, молибден ;

2.Некоторые металлы с ГП решеткой ( гексалокальной плотноупокованной)-цинк, кадмий Cd, Мn.

Не склонны к хладноломкости:

1.Металлы с решеткой ГЦК ( гранецентрированного куба) -аустенитные стали на основе g-железа, медь, алюминий, никель .

2.Титан, хотя имеет ГП решетку.

Размер зерна

Измельчение зерна до 10-20 мкм существенно понижает критическую температуру охрупчивания (хрупкости). Для ферритных и ферритно-перлитных сталей для уменьшения размера зерна вводят карбидообразующие элементы - Cr, V, Ti, Tn (тантал). В аустенитной стали для стабилизации аустепита вводят повышенное содержание Ni и Mn.

Термообработка сталей существенно понижает граничную температуру надежной работы (Т, до которой оборудование работает надежно).

Углеродистые и легированные стали подвергают двойной термообработке: закалке и отпуску. Для легированных сталей температура нагрева под закалку выше, а охлаждение ведут обычно в масле.

Материал	Без термообработки	После улучшения
Сталь углеродистая качественная	-30оС	-60оС
Сталь 03Х13АГ19	-130оС	-200оС
Алюминиевый сплав АМr1	-253оС	-269оС
Титановый сплав ВТ1	-196оЧС	-253оС

Г- азот, А -алюминий.

Внешние факторы

1. температура
2. тип концентратора напряжений
3. условия и скорость нагружения
4. характер окружающей среды
5. форма и размеры детали

По хладостойкости конструкционные металлы и сплавы можно разделить на 5 групп:

1. Удовлетворительные характеристики всех механических свойств при температуре климатического холода до 220К (-50оС). Это так называемые изделия " северного исполнения"- качественные углеродистые и низколегированные стали ферритно-перлитного и мартенситного классов с ОЦК решеткой (70-75%).

2. Удовлетворительные характеристики всех механических свойств до 170К

Стали , сохраняющие вязкость и пластичность после термического улучшения, например, малоуглеродистые ферритные стали ( С до ,2%, легированные добавки - Ni, Cr, V, Mo).

3. Удовлетворительные характеристики всех мех. свойств до 77К .

· Стали типа ОН9А
· Большинство сплавов на основе Al, Cu, Ti , не обнаруживающих склонности к хрупкому разрушению
· Высоколегированные стали марок 10Х14Г14Н4Т,07Х13Н4АГ20,03Х13АГ19

4. Температура ниже 77К - космическая техника, потребление Н2,Не,О2, экспериментальная физика:

· Высоколегированные нержавеющие стали-12Х18Н10Т,ОХ25Н20,ОХ15Н25МТ2
· Некоторые бронзы
· Никелевые ,алюминиевые сплавы, легированный магний
· Некоторые сплавы титана на основе a-фазы

5. Конструкционные материалы специального назначения, работающие в широком диапазоне температур при нагреве и охлаждении до криотемператур с сохранением необходимых механических, электрических свойств-ОЗХ20М16АГ6 - 4К-870К; сплав 36НХ - 4К-500К.

Лекция 3

1. Углеродистые и легированные стали (для работы в условиях климатического холода)

Обозначение легирующей добавки:

X - Cr; H - Ni; B - W; M - Mo; Ф - V; T - Ti; Ю- Al; Д - Cu; Г - Mn; C - Si; К - Co; Ц-цирконий ; Р - B(бор); Б - Nb(ниобий); А - N₂ азот, если в середине и качественная сталь, если в конце.

Обычно криогенные установки работают внутри отапливаемого здания, но часть аппаратов устанавливается на открытом воздухе ,при температуре воздуха более 220К.

Свариваемые углеродистые и низколегированные стали составляют 70% объема потребления металла в криогенной технике.

1.1.Углеродистые стали

А) Ст 3, Сталь 20

Низкая коррозионная стойкость, невысокая прочность (sв=450 МПа), повышенная пластичность КСИ=700 кДж/м² Используется - днища, корпуса сосудов под давлением, обечайки.

Б) Сталь 45 (sв=640 МПа,КСИ=430 кДж/м²)

Среднеуглеродистая сталь, низкая коррозионная стойкость, подвергается термообработке - поверхностное уплотнение токами ВЧ и отпуск.

Используется- детали, к которым предъявляют требования высокой поверхностной твердости и повышенной износостойкости при малой деформации (валы); трубы для изготовления баллонов без ограничения по давлению и Т=223-423К.

1.2.Низколегированные хромосодержащие стали

А) Сталь 20Х ( sв=400-450 МПа, КСИ=700 кДж/м²)

Цементируемая сталь с низкой коррозионной стойкость, износоустойчивая поверхность при вязкой сердцевине. Используются- детали средних размеров повышенной точности (втулки, шпиндели) ; детали, работающие при больших скоростях и средних удельных давлениях ( плунжеры, штоки впускных клапанов кислородных установок)

Б) Сталь 40Х (sв=600-700 МПа, КСИ=600 кДж/м²)

Повышенная прочность

Используется коленчатые валы ; фрикционные диски ; шестерни ; роторы турбокомпрессоров; седла клапанов.

Рабочий диапазон температур Т=200-700К. Может использоваться для крепежных деталей.

В) Сталь 38Х2МЮА или 38ХМЮА ( sв>1000 МПа, s02>850 МПа, КСU>900 кДж/м², HRC=50.

- конструкционная высококачественная, упрочняется азотированием работать ответственные детали с высокой твердостью и минимальной доводкой при т/о -- плунжерные насосы для жидких азота и кислорода, втулки криогенно-газовых машин, цилиндры насосов.

1.3 Хромистые нержавеющие стали

Работают в среде влажного пара.

А)Сталь 20Х13 (sв=700-800 МПа, s02=450-650 МПа, КСU=600-800 кДж/м²

Применяется для деталей, подвергающихся ударным нагрузкам: седла клапанов, тарелки, уплотняющие элементы арматуры, крепежные детали;

Б) Сталь 30Х13

Применяется для деталей с повышенной твердостью: клапаны арматуры, штоки, втулки цилиндров, крепежные детали.

2.Легированные стали для криогенных температур

2.1 Никелесодержащие среднелегированные конструкционные стали.

Для повышения вязкости используют закалку и высокий отжиг

А)Сталь 12ХНЗА - высокая поверхностная твердость в сочетании с вязкой сердцевиной.

Используется- корпуса клапанов, валы, цилиндры поршневых детандеров.

Б)18Х2Н4ВА (В-вольфрам)18Х2Н4МА (М-молибден) - (sв=1000-1100 МПа, s02=750-800 МПа, KCU=600-100 кДж/м².

Металл используется до 75К, но при статической нагрузке, при т/о sв=1400 МПа.

высококачественные цементируемые стали мартенситного класса

Используется на ответственных высоконагруженных деталях при статических, циклических и динамических нагрузках при температуре Т=200-670К: шпильки, подвески, оси, валы турбодетандеров

2.2 Нержавеющие стареющие стали

Дисперсионно-твердеющие стали аустенитного класса

ЭП -электросталь пробная (з-д Электросталь)

ЭП-164 или 08Х15Н24В4ТР

ЭП-33 или 10Х11Н23Т3МР

ЭП 921 или 03Х9К14Н6МЗД

Разрабатывались как жаропрочные конструкционные материалы. После т/о и старения имеют повышенную прочность (выше 800 МПа) при сохранении удовлетворительной вязкости при Т>20К. Рабочий диапазон температур 4-1000К.

А) Сталь ЭП-164 -08Х15Н24В4ТР Используются: для нагруженных несварных деталей , подвески внутренних сосудов Дьюара, фланцевые соединения, штоки арматуры. Имеет sв>750 МПа, s02>450 МПа, KCU=1100 кДж/м2 при Т=293 К и KCU=900 кДж/м2 при Т=20 К.

Б) ЭП-33 - 10Х11Н23ТЗМР Состав- >0,1 % С; >0,6% Si; 0,6 Mn; 10-12,5% Cr; 21-25 % Ni; 2,6-3,2% Ti; 1,0-1,6 %Mo.

sв возрастает от 1100 МПа при комнатной температуре до 1560 МПа при Т=20К. Удельная вязкость снижается с 500 до 450 кДж/м². Рабочий диапазон температур 20-870 К

Используются: тяжелонагруженные несварные детали, крепеж, пружины.

Т , К	sв, МПа	s02, МПа	KCU, кДж/м2
293	1100	850	500
77	1410	1000	480
20	1540	1140	450

В) ЭП 921 - 03Х9К14Н6МЗД - нержавеющая сталь мартенситного класса.

Состав - 0,03% C; 0,01% P; 0,1 Si; 8,5-9,5% Cr; 13-14% Co; 6-7% Ni; 3-4% Mo; 1,0-1,5% Cu; 0,2-0,6% Mn; 0,1-0,25% V.

Характеризуется высокой прочностью и твердостью, удовлетворительной пластичностью и вязкостью при низких температурах.Используется: высоконагруженные детали, уплотнительные узлы арматуры ( седла, валы), элементы турбодетандеров- валы, подпятники.

Рабочая температура - Т=20-670К.

Для горячекатаных листов

Т , К	sв, МПа	s02, МПа	KCU, кДж/м2
293	1500	1400	750
77	1850	1650	550
20	1900	1740	350

2.3. Хромоникелевые аустенитные стали.

Основные стали для криогенной техники. Содержат Ni- 8-12%; Cr- 18-20%.

Обладают

· высокой пластичностью
· высокими коррозионными свойствами
· хорошая технологичность
· высокая усталостная прочность
· высокая эксплутационная надежность при длительном статическом нагружении для криотемператур
· малая чувствительность к многократно повторяющимся охлаждениям и отогревам под нагрузкой.

Недостатки:

· высокая стоимость из-за дефицита никеля
· низкая прочность, особенно по пределу текучести при нормальных температурах
· при повторных нагреваниях ( сварка ) из-за образования карбидов Cr по границам зерен стали и сталь становится склонна к межкристаллической коррозии.

Необходимо введение добавок титана и ниобия.

Использование: криогенные емкости и трубопроводы, ракеты , космические корабли, баки под жидкий водород

А) Сталь 12Х18НН10Т Т=4-870К без ограничения давления.

Свариваемость хорошая аргонодуговой сваркой под слоем флюса.

Используется: сварные элементы аппаратов, емкостей, трубопроводов - обечайки, днища, патрубки, фланцы; детали арматуры - шпильки, клапаны.

После закалки

Т , К	sв, МПа	s02, МПа	KCU, кДж/м2
293	660	250	310
77	1520	450	250
20	1420	520	230

Б) Сталь 04Х18Н10

Особо низколегированная сталь .Сохраняет свойства во всем интервале низких температур. Использование - аналогично А).Рабочие температуры Т=4-725К.

Т , К	sв, МПа	s02, МПа	KCU, кДж/м2
293	600	230	250
77	1440	400	200
20	1710	410	150

2.4. Хромоникельмарганцевые и хромомарганцевые аустенитные стали.

Из-за высокой стоимости никеля его частично или полностью заменяют марганцем, который так же является стабилизатором аустенита. Для повышения прочности аустенитные стали легируют азотом ( он повышает стабильность аустенита, способствует сопротивлению пластической деформации).

Следует отметить, что введение в сталь азота осложняет ее сварку. В сталях с азотом необходимо ограничивать содержание углерода с 0,12% до 0,03%.

А) Сталь 10Х14Г14Н4Т

Имеет низкую прочность при высоких пластичности и вязкости при низких температурах.

Используется: для изготовления сварных элементов сосудов и аппаратов ( обечаек, днищ, фланцев, патрубков) , трубопроводов при Т=70-770К.

Б) Сталь 07Х21Г7АН5 (ЭП 222)

Обладает повышенной прочностью и удовлетворительной вязкостью при криотемпературах.

Используется: несварные термообрабатываемые детали - шпиндели, подвески, шпилька.

В) Сталь 07Х13Н4АГ20 (ЧС 52) - sв=680 МПа, s02=360 МПа, KCU=1700 кДж/м²

Обладает повышенным пределом текучести, немагнитная. Использование: сварные элементы сосудов и аппаратов.

Г) Сталь 03Х20Н16АГ6

Особо низкоуглеродистая сталь. Обладает высокой пластичностью и вязкостью во всем диапазоне температур.

Используется: для криогенных сосудов, оболочек, теплообменных аппаратов, трубопроводов, арматуры, работающей под давлением.

Т , К	sв, МПа	s02, МПа	KCU, кДж/м2
293	680	370	150
77	1250	800	120
20	1470	950	100
4	1500	1000	60

Д) Сталь 03Х13АГ19 (ЧС 36 )

Рекомендуется для замены стали 12Х18Н10Т при работе в вакууме.

2.5 Железо-никелевые сплавы с низким температурным коэффициентом линейного расширения.

Инвары - сплавы железа с никелем, содержание которого 35-50%.

Используется: для изготовления некоторых узлов криогенных установок, размеры которых не должны меняться с изменением температуры.

Жесткозакрепленные трубопроводы сложной пространственной формы, работающие при Т>20К.

При этом отпадает необходимость установки сильфонов, что упрощает конструкцию и делает ее более надежной.

Теплопроводность инвара примерно в два раза меньше, чем у аустенитных сталей. sв=420 МПа, s02=240 МПа.

Они имеют стоимость в 5-10 раз ниже 12Х18Н10Т

А) Сплав 36НХ

Состав: 0,05% C; <0,3% Si; <0,02 S; <0,02%P; <0,025% Cu; 0,3-0,6% Mn; 0,4-0,7% Cr; 35-36% Ni; Fe - основа.

Б) Сплав 47НД

Имеет температурный коэффициент расширения близким к стеклу.Обладает магнитными свойствами.

Используется: для корпусов герметичных электрических вводов.

Вакуумно-плотный спай сплава 47НД и стекла сохраняет работоспособность при охлаждении до 4К.

Характеристики

Список файлов лекций