14.4. Хладостойкие материалы

Хладостойкими называют материалы, сохраняющие достаточную вязкость при низких температурах от 0 до .

Воздействию низких температур подвергаются стальные металлоконструкции (полотно железных дорог, трубы газо- и нефтепроводов, мосты и др.), строительные машины, автомобили, вагоны в северных районах страны, охлаждаемые до температур климатического холода обшивка самолетов, детали ракет и космических аппаратов, охлаждаемые от 0°С до температуры жидкого кислорода специальное оборудование физики низких температур, детали, узлы и трубопроводы холодильной и криогенной техники, которые используются для получения, хранения и транспортировки сжиженных газов, охлаждаемых вплоть до температур жидкого гелия

Критерии хладостойких материалов.

Понижение температуры эксплуатации сопровождается увеличением статической и циклической прочности, снижением пластичности и вязкости, повышением склонности к хрупкому разрушению. Важнейшее требование, определяющее пригодность материала для низкотемпературной службы, - отсутствие хладноломкости. Хладноломкость - свойство материала терять вязкость, хрупко разрушаться при понижении температуры. Хладноломкость характерна для железа, стали, металлов и сплавов с ОЦК и ГПУ решетками. Хладноломкость этих материалов оценивается температурным порогом хладноломкости (см. рис. 7.5). Для надежной работы материала необходимо обеспечить температурный запас вязкости. Это достигается тогда, когда температурный порог хладноломкости материала расположен ниже температуры его эксплуатации. Необходимая величина температурного запаса вязкости зависит от факторов, влияющих на склонность к хрупкому разрушению (наличия концентраторов напряжений, скорости нагружения, размеров детали). Чем больше температурный запас вязкости, тем меньше опасность хрупкого разрушения материала, выше его эксплуатационная надежность.

Металлы и сплавы с ГЦК решеткой, а также титан и его сплавы с ГПУ решеткой не имеют порога хладноломкости; при охлаждении у них ударная вязкость уменьшается монотонно. Хладостойкость таких материалов оценивается температурой, при которой ударная вязкость не менее (рис. 14.16).

Кроме критериев хладостойкости основанием для выбора материала служат также показатели прочности физические и технологические

Рис. 14.16. Зависимость ударной вязкости (а) и предела текучести (б) конструкционных материалов от температуры: 1 — сталь закалка в воде от 1100 °С; 2 - сталь закалка в воде от отпуск при 600 °С; 3 - сплав отжиг при 750 °С; 4 - сталь закалка на воздухе от 950 °С, старение; 5 — сплав отжиг при 400 °С

свойства, совместимость с окружающей средой, стоимость материала. Важным критерием хладостойкости является критерий - вязкость разрушения в условиях плоской деформации. Однако недостаток данных о значениях при низких температурах пока ограничивает его применение при выборе материалов.

Из физических свойств материала наиболее важны тепловое расширение, теплопроводность, теплоемкость. Чем меньше тепловое расширение материала, тем меньше термические напряжения в деталях и конструкциях при термоциклировании. От теплоемкости и теплопроводности зависит быстрота захолаживания материала при термоциклировании. При особо низких температурах, начиная от температуры жидкого азота теплопроводность и теплоемкость уменьшаются более чем в 10 раз. Изменение этих свойств неодинаково влияет на быстроту захолаживания материалов при термоциклировании. Чем меньше теплоемкость и больше теплопроводность, тем легче захолаживается криогенное оборудование и быстрее выходит на рабочий режим.

Наиболее важные технологические свойства свариваемость и пластичность. Сварку широко применяют в производстве конструкций и герметичной криогенной аппаратуры. Пластичность необходима для изготовления тонких листов и тонкостенных элементов, менее склонных к хрупкому разрушению, чем массивные детали.

Совместимость с окружающей средой определяется взаимодействием материала с кислородом и водородом - наиболее распространенными средами в криогенной технике. В контакте с кислородом возможно воспламенение материалов (титана, алюминия и их сплавов). Водород растворяется во многих металлах и вызывает охрупчивание сталей с ОЦК решеткой и сплавов на основе титана.