Aliajele de aluminiu sunt printre puținele metale structurale care devin mai puternice decât mai fragile pe măsură ce temperatura scade spre zero absolut. Acest comportament le face alegerea prestabilită pentru reținerea gazelor naturale lichefiate, coloanele de separare a aerului, structurile de magnet supraconductor și platformele de testare criogenice, unde oțelul ar avea nevoie de calități testate la impact-și controlul atent al temperaturii de tranziție-. Motivul constă în structura cristalină și în modul în care dislocațiile se mișcă atunci când energia termică este aproape absentă.
De ce contează structura cubică centrată-față la temperatură scăzută
Aluminiul are o rețea cubică centrată pe față-cu douăsprezece sisteme de alunecare și nu prezintă nicio tranziție ductilă-la-ca cea găsită în oțelurile cubice centrate-corpului. Scăderea temperaturii crește stresul necesar pentru a muta dislocațiile, lăsând neschimbat numărul de sisteme de alunecare disponibile, astfel încât materialul se întărește fără a pierde capacitatea de a se deforma plastic. Acesta este motivul pentru care o componentă de aluminiu poate fi stinsă în azot lichid sau heliu lichid fără pierderea bruscă a tenacității care ar însoți un oțel feritic.
Conductivitatea termică ridicată a aluminiului funcționează în aceeași direcție: distribuie uniform căldura printr-o componentă, limitând gradienții termici locali care altfel ar genera solicitări secundare mari într-un perete al vasului sau a unui suport de sprijin.
Tendințe ale proprietăților mecanice sub -150 de grade
Majoritatea aliajelor de aluminiu câștigă rezistență la tracțiune și la curgere pe măsură ce temperatura scade sub -150 de grade, în timp ce alungirea fie crește, fie rămâne în esență stabilă, deoarece mișcarea de dislocare este suprimată și deformarea se răspândește prin rețea, mai degrabă decât prin localizare.
Rezistența la tracțiune crește progresiv până la temperatura heliului lichid, cu cele mai mari câștiguri relative în familiile 5xxx și 1xxx.
Alungirea este reținută sau îmbunătățită; aliajul 5083, de exemplu, menține mai mult de 20% alungire la -269 de grade.
Sensibilitatea crestăturii scade, astfel încât specimenele de tracțiune crestate prezintă o penalizare mai mică față de specimenele netede decât la temperatura camerei.
Creșterea fisurilor de oboseală se poate accelera în cazul unui ciclu termic sever, astfel încât evaluarea oboselii termice este necesară pentru componentele criogenice încărcate ciclic.
Duritatea la rupere rămâne ridicată, ceea ce este proprietatea care califică familia de aliaje pentru serviciul de izolare.
Modificări metalurgice la temperatura criogenică
Modificările interesante sunt mai degrabă termodinamice decât structurale. Solubilitatea elementelor de aliere, cum ar fi magneziul, scade brusc pe măsură ce temperatura scade, astfel încât orice dizolvat dizolvat este mult peste limita sa de echilibru. Cu toate acestea, difuzia este efectiv înghețată, astfel încât întărirea prin precipitații nu poate continua și supra-îmbătrânirea nu are loc în timpul serviciului. Efectele practice sunt:
Atomii soluți continuă să pună dislocații, care este unul dintre motivele pentru care puterea de curgere crește.
Procesele controlate de difuzie-, inclusiv precipitarea și recuperarea, sunt suprimate aproape complet.
Nu are loc nicio tranziție ductil-la-casabil, spre deosebire de metalele cubice-centrate pe corp.
Contracția termică trebuie luată în considerare în proiectare, deoarece contracția aluminiului diferă de cea a oțelului sau compozitului la care este adesea fixat cu șuruburi.
Aceste caracteristici permit utilizarea aluminiului pentru componentele structurale ale sistemelor de magneti supraconductori, unde este necesar un material ne{-magnetic, stabil din punct de vedere dimensional și conducător termic la temperatura heliului lichid.
Selecția aliajelor pentru serviciul criogenic
| Serie | Comportamentul criogenic | Utilizare tipică |
|---|---|---|
| 5xxx (Al-Mg) | Reținere excepțională de duritate și ductilitate; 5083 menține mai mult de 20% alungire la -269 de grade | Rezervoare GNL, vase criogenice, structuri sudate |
| 6xxx (Al-Mg-Si) | Sudabilitate bună și rezistență moderată; proprietăți stabile odată temperate | Componente și suporturi pentru vase criogenice |
| 1xxx (puritate ridicată) | Conductivitate foarte mare cu răspuns magnetic scăzut | Componentele magnetului supraconductor și părțile criostatului |
| 3xxx (Al-Mn) | Formabilitate bună și rezistență criogenică moderată | Schimbător de căldură și aplicații de conducte |
Seria 5xxx rămâne calul de muncă pentru izolarea criogenică sudată, deoarece combină rezistența criogenică cu un temperament netratabil la căldură--, care nu este afectat de căldura de sudare. Selecția aliajului se rafinează apoi la cerințele specifice de contracție termică și rezistență ale componentei.
Reguli de sudare și fabricație pentru serviciul criogenic
Sudarea este locul în care proiectarea criogenică eșuează cel mai adesea, astfel încât fabricarea este controlată prin proceduri calificate mai degrabă decât prin judecata operatorului.
Selectarea metalului de umplutură trebuie să prevină fisurarea prin solidificare; Materialele de umplutură cu magneziu potrivite sau puțin mai mari- sunt tipice pentru metalul de bază 5xxx.
Riscul de porozitate este controlat prin curățenie, gaz de protecție uscat și consumabile fără umiditate-, deoarece captarea hidrogenului este principala sursă a porozității sudurii.
Expansiunea termică nepotrivită între sudură și structura adiacentă induce stres rezidual, care este gestionat prin proiectarea îmbinării, secvența de sudare echilibrată și pre{0}}deformare acolo unde este necesar.
Tratamentul termic post-sudură este de obicei evitat pentru lucrările 5xxx, deoarece oferă puține beneficii și poate reduce proprietățile; pentru aliajele tratabile termic-este controlat astfel încât temperamentul să nu fie distrus.
Calificarea procedurii urmează un standard de sudare adecvat, cum ar fi ISO 15614-2 sau ASME Secțiunea IX, în timp ce placa de bază în sine este furnizată conform ASTM B209 sau GB/T 3880.
Verificarea impactului și tenacității se realizează la temperatura de serviciu, nu la temperatura camerei.
Întrebări frecvente
Î: De ce aliajele de aluminiu nu devin fragile la temperatura criogenică?
Rețeaua cubică centrată-față a acestora menține douăsprezece sisteme de alunecare active pe măsură ce temperatura scade, astfel încât metalul se întărește fără tranziția ductilă-la-fără observată în oțelurile cubice centrate-corpului.
Î: Ce aliaj de aluminiu este cel mai utilizat pentru reținerea GNL?
Aliajul 5083 este materialul de referință: păstrează mai mult de 20% alungire la -269 de grade, sudează fără o problemă de temperare tratabilă termic și menține o rezistență ridicată la rupere la temperatura de serviciu.
Î: Crește rezistența când aluminiul este răcit sub -150 de grade?
Da. Rezistenta la tracțiune și la curgere cresc progresiv pe măsură ce temperatura scade, determinată de rezistența crescută la mișcarea de dislocare, iar ductilitatea este în mod normal păstrată sau îmbunătățită în același timp.
Î: Poate fi sudat aluminiul pentru vasele criogenice fără tratament termic post-sudare?
Pentru aliajele 5xxx, tratamentul termic post-sudare este în general inutil și este evitat, dar procedura de sudare trebuie încă să fie calificată la un standard recunoscut pentru a controla porozitatea, fisurarea și solicitarea reziduală.
Î: Care este principalul risc de proiectare în structurile din aluminiu criogenic?
Nepotrivirea contracției termice față de structura adiacentă din oțel sau compozit, care generează tensiuni reziduale și secundare, alături de creșterea fisurilor de oboseală sub cicluri termice repetate.
Î: De ce se folosește aluminiu de-puritate înaltă 1xxx în sistemele supraconductoare?
Combină o conductivitate termică ridicată cu un răspuns magnetic scăzut și rămâne ductil la temperatura heliului lichid, ceea ce se potrivește componentelor structurale ale criostatului și magnetului.
