Hliníkové slitiny jsou jedny z mála konstrukčních kovů, které se při poklesu teploty k absolutní nule stávají spíše pevnějšími než křehčími. Toto chování z nich dělá výchozí volbu pro kontejnment na zkapalněný zemní plyn, kolony pro separaci vzduchu, struktury supravodivých magnetů a kryogenní testovací zařízení, kde by ocel vyžadovala nárazové -testované jakosti a pečlivou kontrolu přechodové-teploty. Důvod spočívá v krystalové struktuře a ve způsobu pohybu dislokací, když tepelná energie téměř chybí.
Proč záleží na-centrované kubické struktuře při nízké teplotě
Hliník má čelní-centrovanou kubickou mřížku s dvanácti posuvnými systémy a nevykazuje žádný tažný-k{2}}křehký přechod, jaký se vyskytuje u těles-středových krychlových ocelí. Snížení teploty zvyšuje napětí potřebné k pohybu dislokací, přičemž počet dostupných skluzových systémů zůstává nezměněn, takže materiál tvrdne, aniž by ztratil schopnost plasticky se deformovat. To je důvod, proč lze hliníkovou součást kalit v kapalném dusíku nebo tekutém heliu bez náhlé ztráty houževnatosti, která by doprovázela feritické oceli.
Vysoká tepelná vodivost hliníku působí stejným směrem: distribuuje teplo rovnoměrně skrz součást a omezuje místní tepelné gradienty, které by jinak generovaly vysoké sekundární napětí ve stěně nádoby nebo nosné vzpěře.
Trendy mechanických vlastností pod -150 stupňů
Většina hliníkových slitin získá pevnost v tahu a mez kluzu, když teplota klesne pod -150 stupňů, zatímco prodloužení se buď zvýší, nebo zůstane v podstatě stabilní, protože dislokační pohyb je potlačen a deformace se šíří mřížkou spíše než lokalizace.
Pevnost v tahu se postupně zvyšuje až na teplotu kapalného helia, s největším relativním nárůstem u rodin 5xxx a 1xxx.
Tažnost je zachována nebo zlepšena; slitina 5083 si například zachovává více než 20% prodloužení při -269 stupních.
Citlivost vrubu klesá, takže vzorky s vrubem v tahu vykazují menší poškození ve srovnání s hladkými vzorky než při pokojové teplotě.
Růst únavových trhlin se může zrychlit při silném tepelném cyklování, takže u cyklicky zatěžovaných kryogenních komponent je vyžadováno posouzení tepelné únavy.
Lomová houževnatost zůstává vysoká, což je vlastnost, která kvalifikuje rodinu slitin pro službu kontejnmentu.
Metalurgické změny při kryogenní teplotě
Zajímavé změny jsou spíše termodynamické než strukturální. Rozpustnost legujících prvků, jako je hořčík, prudce klesá s poklesem teploty, takže jakákoli rozpuštěná látka je daleko nad svým rovnovážným limitem. Difúze je však účinně zmrazena, takže precipitační vytvrzování nemůže pokračovat a během provozu nedochází k přes{2}}stárnutí. Praktické účinky jsou:
Atomy rozpuštěných látek pokračují v dislokacích, což je jeden z důvodů, proč roste mez kluzu.
Procesy řízené difúzí-, včetně srážení a obnovy, jsou téměř úplně potlačeny.
Na rozdíl od kubických kovů -centrovaných na tělo nedochází k žádnému přechodu z tvárného-do{1}}křehkého.
Při návrhu je třeba počítat s tepelným smrštěním, protože smrštění hliníku se liší od smrštění oceli nebo kompozitu, ke kterému je často přišroubován.
Tyto vlastnosti umožňují použití hliníku pro konstrukční součásti supravodivých magnetických systémů, kde je při teplotě kapalného helia potřeba nemagnetický, rozměrově stálý a tepelně vodivý materiál.
Výběr slitiny pro kryogenní služby
| Série | Kryogenní chování | Typické použití |
|---|---|---|
| 5xxx (Al-Mg) | Výjimečná houževnatost a zachování tažnosti; 5083 udržuje více než 20% prodloužení při -269 stupních | Nádrže LNG, kryogenní nádoby, svařované konstrukce |
| 6xxx (Al-Mg-Si) | Dobrá svařitelnost a střední pevnost; vlastnosti po temperování stabilní | Komponenty a podpěry kryogenních nádob |
| 1xxx (vysoká čistota) | Velmi vysoká vodivost s nízkou magnetickou odezvou | Součástky supravodivých magnetů a části kryostatu |
| 3xxx (Al-Mn) | Dobrá tvarovatelnost a střední kryogenní pevnost | Aplikace výměníků tepla a potrubí |
Řada 5xxx zůstává tahounem pro svařovaný kryogenní kontejnment, protože kombinuje kryogenní houževnatost s -tepelně-nezpracovatelnou temperací, která není ovlivněna teplem svařování. Výběr slitiny se pak zpřesňuje podle specifických požadavků na tepelnou kontrakci a pevnost součásti.
Pravidla svařování a výroby pro kryogenní služby
Svařování je místo, kde kryogenní design nejčastěji selhává, takže výroba je řízena kvalifikovanými postupy spíše než úsudkem operátora.
Výběr přídavného kovu musí zabránit praskání při tuhnutí; odpovídající nebo mírně vyšší-hořčíková plniva jsou typická pro základní kovy 5xxx.
Riziko poréznosti je řízeno čistotou, suchým ochranným plynem a spotřebním-materiálem bez obsahu vlhkosti, protože nasávání vodíku je hlavním zdrojem poréznosti svaru.
Nepřizpůsobená tepelná roztažnost mezi svarem a přilehlou strukturou vyvolává zbytkové napětí, které je řízeno návrhem spoje, vyváženým sledem svařování a před{0}}přetvořením tam, kde je to potřeba.
Tepelné zpracování po-svaření se u práce 5xxx obvykle vyhýbá, protože nabízí malý přínos a může snížit vlastnosti; u tepelně-zpracovatelných slitin je řízen tak, aby nedošlo ke zničení temperování.
Kvalifikace postupu se řídí příslušnou normou pro svařování, jako je ISO 15614-2 nebo ASME Section IX, zatímco samotná základní deska je dodávána podle ASTM B209 nebo GB/T 3880.
Ověření rázu a houževnatosti se provádí při provozní teplotě, nikoli při pokojové teplotě.
Často kladené otázky
Otázka: Proč hliníkové slitiny při kryogenní teplotě nekřehnou?
Jejich čelní-centrovaná kubická mřížka udržuje dvanáct skluzových systémů aktivních, když teplota klesá, takže kov tvrdne bez tvárného -do{2}}křehkého přechodu, jak je vidět u těles-středěných krychlových ocelí.
Otázka: Která hliníková slitina se nejčastěji používá pro zadržování LNG?
Slitina 5083 je referenční materiál: zachovává si více než 20% prodloužení při -269 stupních, svařuje bez problémů s tepelně zpracovatelným temperováním a zachovává si vysokou lomovou houževnatost při provozní teplotě.
Otázka: Zvyšuje se pevnost, když je hliník ochlazen pod -150 stupňů?
Ano. Pevnost v tahu a mez kluzu se progresivně zvyšují s klesající teplotou, řízenou zvýšeným odporem vůči dislokačnímu pohybu, a tažnost je normálně zachována nebo současně zlepšena.
Otázka: Lze svařovat hliník pro kryogenní nádoby bez tepelného zpracování po-svaření?
U slitin 5xxx je tepelné zpracování po svaru po-obecně zbytečné a je třeba se mu vyhnout, ale i tak musí být postup svařování kvalifikován podle uznávané normy pro kontrolu poréznosti, praskání a zbytkového napětí.
Otázka: Jaké je hlavní konstrukční riziko u kryogenních hliníkových konstrukcí?
Nesoulad tepelné kontrakce s přilehlou ocelovou nebo kompozitní strukturou, která generuje zbytková a sekundární napětí spolu s růstem únavových trhlin při opakovaném tepelném cyklování.
Otázka: Proč se v supravodivých systémech používá-hliník 1xxx vysoké čistoty?
Kombinuje vysokou tepelnou vodivost s nízkou magnetickou odezvou a zůstává tažný při teplotě kapalného helia, což vyhovuje kryostatu a konstrukčním součástem magnetu.
