Stopy aluminium należą do nielicznych metali konstrukcyjnych, które stają się mocniejsze, a nie bardziej kruche, gdy temperatura spada do zera absolutnego. Takie zachowanie sprawia, że są one domyślnym wyborem do zbiorników skroplonego gazu ziemnego, kolumn separacji powietrza, nadprzewodzących konstrukcji magnetycznych i kriogenicznych stanowisk testowych, gdzie stal wymagałaby gatunków-testowanych pod kątem udarności i dokładnej-kontroli temperatury przejścia. Przyczyna leży w strukturze kryształu i sposobie przemieszczania się dyslokacji, gdy energia cieplna jest prawie nieobecna.
Dlaczego-wyśrodkowana struktura sześcienna ściany ma znaczenie w niskiej temperaturze
Aluminium ma sześcienną siatkę skupioną-na powierzchni z dwunastoma systemami poślizgu i nie wykazuje przejścia-w-kruchość, jakie można znaleźć w stalach sześciennych-centrowanych w korpusie. Obniżenie temperatury zwiększa naprężenia potrzebne do przemieszczania dyslokacji, pozostawiając jednocześnie liczbę dostępnych systemów poślizgu na niezmienionym poziomie, dzięki czemu materiał twardnieje nie tracąc zdolności do odkształceń plastycznych. Właśnie dlatego element aluminiowy można hartować w ciekłym azocie lub ciekłym helu bez nagłej utraty wytrzymałości, która towarzyszyłaby stali ferrytycznej.
Wysoka przewodność cieplna aluminium działa w tym samym kierunku: równomiernie rozprowadza ciepło w elemencie, ograniczając lokalne gradienty termiczne, które w przeciwnym razie generowałyby wysokie naprężenia wtórne w ścianie naczynia lub podporze.
Trendy właściwości mechanicznych poniżej -150 stopni
Większość stopów aluminium zyskuje granicę plastyczności i rozciągania, gdy temperatura spada poniżej -150 stopni, podczas gdy wydłużenie albo wzrasta, albo pozostaje zasadniczo stabilne, ponieważ ruch dyslokacyjny jest tłumiony, a odkształcenie rozprzestrzenia się w sieci zamiast lokalizować.
Wytrzymałość na rozciąganie wzrasta stopniowo aż do temperatury ciekłego helu, przy czym największy względny wzrost występuje w rodzinach 5xxx i 1xxx.
Wydłużenie zostaje zachowane lub poprawione; na przykład stop 5083 utrzymuje ponad 20% wydłużenia w temperaturze -269 stopni.
Spada czułość karbu, zatem próbki rozciągane z karbem wykazują mniejsze wady w porównaniu z próbkami gładkimi niż w temperaturze pokojowej.
Wzrost pęknięć zmęczeniowych może przyspieszyć w przypadku silnych cykli termicznych, dlatego w przypadku cyklicznie obciążonych elementów kriogenicznych wymagana jest ocena zmęczenia cieplnego.
Odporność na pękanie pozostaje wysoka, co jest właściwością, która kwalifikuje tę rodzinę stopów do zastosowań zabezpieczających.
Zmiany metalurgiczne w temperaturze kriogenicznej
Interesujące zmiany mają raczej charakter termodynamiczny niż strukturalny. Rozpuszczalność pierwiastków stopowych, takich jak magnez, gwałtownie spada wraz ze spadkiem temperatury, więc zawartość rozpuszczonej substancji znacznie przekracza granicę równowagi. Jednakże dyfuzja zostaje skutecznie zamrożona, więc utwardzanie wydzieleniowe nie może nastąpić, a podczas użytkowania nie następuje nadmierne-starzenie. Praktyczne efekty to:
Atomy substancji rozpuszczonej nadal powodują dyslokacje, co jest jednym z powodów wzrostu granicy plastyczności.
Procesy kontrolowane przez dyfuzję, w tym wytrącanie i odzysk, są prawie całkowicie tłumione.
W przeciwieństwie do metali sześciennych-centrujących się na ciele nie następuje przejście z plastyczności-w-kruchość.
Podczas projektowania należy uwzględnić skurcz termiczny, ponieważ skurcz aluminium różni się od skurczu stali lub kompozytu, do którego jest często przykręcane.
Te właściwości pozwalają na wykorzystanie aluminium w elementach konstrukcyjnych systemów magnesów nadprzewodzących, gdzie potrzebny jest niemagnetyczny, stabilny wymiarowo i przewodzący ciepło materiał w temperaturze ciekłego helu.
Wybór stopu do zastosowań kriogenicznych
| Szereg | Zachowanie kriogeniczne | Typowe zastosowanie |
|---|---|---|
| 5xxx (Al-Mg) | Wyjątkowa trwałość i ciągliwość; 5083 utrzymuje ponad 20% wydłużenia przy -269 stopniach | Zbiorniki LNG, zbiorniki kriogeniczne, konstrukcje spawane |
| 6xxx (Al-Mg-Si) | Dobra spawalność i umiarkowana wytrzymałość; właściwości stabilne po odpuszczeniu | Elementy i podpory zbiorników kriogenicznych |
| 1xxx (wysoka czystość) | Bardzo wysoka przewodność przy niskiej odpowiedzi magnetycznej | Elementy magnesów nadprzewodzących i części kriostatu |
| 3xxx (Al-Mn) | Dobra odkształcalność i umiarkowana wytrzymałość kriogeniczna | Zastosowania w wymiennikach ciepła i kanałach |
Seria 5xxx pozostaje głównym narzędziem do spawanej obudowy kriogenicznej, ponieważ łączy w sobie wytrzymałość kriogeniczną z nieobrabialnym cieplnie-odpuszczaniem, na które nie ma wpływu ciepło spawania. Następnie dobór stopu dostosowuje się do konkretnych wymagań dotyczących skurczu termicznego i wytrzymałości elementu.
Zasady spawania i produkcji dla usług kriogenicznych
Spawanie to miejsce, w którym projekty kriogeniczne najczęściej zawodzą, dlatego produkcja jest kontrolowana na podstawie kwalifikowanych procedur, a nie na podstawie oceny operatora.
Wybór metalu wypełniającego musi zapobiegać pękaniu podczas krzepnięcia; podobne lub nieco wyższe-wypełniacze magnezowe są typowe dla metalu nieszlachetnego 5xxx.
Ryzyko porowatości jest kontrolowane za pomocą czystości, suchego gazu osłonowego i materiałów-wolnych od wilgoci, ponieważ głównym źródłem porowatości spoiny jest wciąganie wodoru.
Niedopasowana rozszerzalność cieplna spoiny i sąsiedniej konstrukcji powoduje naprężenia szczątkowe, którymi zarządza się poprzez projekt złącza, zrównoważoną sekwencję spawania i-odkształcenie wstępne, jeśli jest to wymagane.
W przypadku stali 5xxx zwykle unika się obróbki cieplnej-po spawaniu, ponieważ przynosi ona niewielkie korzyści i może pogorszyć właściwości; w przypadku stopów-obrabialnych cieplnie jest to kontrolowane, tak aby stan nie uległ zniszczeniu.
Kwalifikacja procedury jest zgodna z odpowiednią normą spawalniczą, taką jak ISO 15614-2 lub ASME sekcja IX, podczas gdy sama płyta podstawowa jest dostarczana zgodnie z normą ASTM B209 lub GB/T 3880.
Weryfikację udarności i wytrzymałości przeprowadza się w temperaturze roboczej, a nie w temperaturze pokojowej.
Często zadawane pytania
P: Dlaczego stopy aluminium nie stają się kruche w temperaturze kriogenicznej?
Ich sześcienna-centryczna siatka utrzymuje dwanaście systemów poślizgu aktywnych w miarę spadku temperatury, dzięki czemu metal twardnieje bez przejścia od plastycznego-do-kruchego obserwowanego w-centrycznych stalach sześciennych.
P: Który stop aluminium jest najczęściej stosowany do przechowywania LNG?
Stop 5083 jest materiałem odniesienia: zachowuje ponad 20% wydłużenia w temperaturze -269 stopni, spawa bez problemów związanych z odpuszczaniem podczas obróbki cieplnej i utrzymuje wysoką odporność na pękanie w temperaturze roboczej.
P: Czy wytrzymałość wzrasta, gdy aluminium jest schładzane poniżej -150 stopni?
Tak. Wytrzymałość na rozciąganie i granica plastyczności rosną stopniowo wraz ze spadkiem temperatury, co wynika ze zwiększonego oporu ruchu dyslokacyjnego, przy jednoczesnym zachowaniu lub poprawie plastyczności.
P: Czy aluminium w zbiornikach kriogenicznych można spawać bez-obróbki cieplnej po spawaniu?
W przypadku stopów 5xxx-obróbka cieplna po spawaniu jest na ogół niepotrzebna i należy jej unikać, ale procedura spawania nadal musi spełniać uznaną normę, aby kontrolować porowatość, pękanie i naprężenia szczątkowe.
P: Jakie jest główne ryzyko projektowe w przypadku kriogenicznych konstrukcji aluminiowych?
Niedopasowanie skurczu termicznego do sąsiadującej konstrukcji stalowej lub kompozytowej, co powoduje naprężenia szczątkowe i wtórne, a także wzrost pęknięć zmęczeniowych w wyniku powtarzających się cykli termicznych.
P: Dlaczego w systemach nadprzewodzących stosuje się aluminium 1xxx o-czystości?
Łączy w sobie wysoką przewodność cieplną z niską reakcją magnetyczną i pozostaje plastyczny w temperaturze ciekłego helu, co pasuje do elementów konstrukcyjnych kriostatu i magnesu.
