Лекция 4

Механические свойства при низких температурах

Сталь	Т-ра испытания К	Предел прочности МПа	Предел текучести МПа	Отн. удлинение %	Отн. сужение %	Ударная вязкость KCU, кДж/м^2
Сталь Ст3 без т/о	293 153 77	370-490 590-685 765-860	215-340 470-57 755-830	25-30 28-35 8-10	62-70 55-60 1-4	980-1960 19-39 10-19
Хромистая 38ХА Закалка 8600С Отпуск 5500С	290 200 77	980 1100 1400	850 940 1360	18 18 10	60 55 41	1100 580 184
08Х18Н10Т	293 77 20	590 1180 1810	245 312 635	55 42 32	70 50 42	1570 1470 1175
07Х14Г14Н37	293 77 20	635 1270 1470	274 440 540	50 45 40	65 50 50	2350 2160 2050

Общая закономерность изменения прочностных характеристик сохраняется, но показатели пластичности остаются достаточно высокими, чтобы обеспечить надежную работу стали до 4 К.

ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ

С понижением температуры прочностные показатели возрастают ( предел прочности, упругости, твердости). При этом пластичность и ударная вязкость понижается мало и у некоторых металлов возрастает ( медь, латунь). Ударная вязкость Cu, Al , Pb, Ni при 80К в 1,2-1,5 раз выше, чем при 300К.

МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Материал марка	Химический состав, %	Термообработка, состояние	Т,К	sв, МПа	s0,2, МПа	KCU, КДж/м^2
Медь М1	99,9 Cu	Отжиг при 9300С	295 77 20	245 372 412	49 88 80	2940 4000 3820
Медь М3	99,5 Cu	Отжиг	290 77 20	225 372 450	87 - -	1750 2080 2110
Латунь Л62	60,-63,5 Cu примеси <0,7 остаток Zn	Отжиг	293 195 77	352 400 500	132 148 183	1235 1380 1510
Бронза берилловая	0,6 Be 2,6 C oостаток Cu	Холоднотянутая, полутвердая	295 77 20	412 558 636	342 431 470	2640 2250 2060
Алюминий АД1	99,5 Al	Лист отожженный	293 90	77 158	31 39	910 1550
Алюмин Сплав АК6	1,8-2,6 Cu 0,4-0,8 Mg 0,7-1,2 Si ............. Al остаток	Термообработка, поковка	293 77	403 490	298 378	157 147
Титанов. сплав ВТ5-1	4,3-6,0 Al 2-3 Sn остаток Ti	Отжиг при 8000С	293 77 20	825 1320 1600	765 1290 1540	1270 450 390

Алюминий и его сплавы Сплавы алюминия имеют низкую плотность, обладают коррозионной стойкостью и довольно высокими механическими свойствами. В криогенной технике ( при Т<120 К) потребление алюминия составляет около 30% потребления металла ( в виде листов ). Хорошая тепло- и электропроводность используется для изготовления различных теплообменников. Следует отметить, что от алюминия отказываются, если данные детали определяют теплопритоки к охлаждающим деталям. Например, сосуд Дьюара из алюминия, а горловина из нержавеющей стали или полимера. Алюминиевые сплавы имеют более высокий коэффициент линейного расширения, чем аустенитные стали. В жесткозащемленных элементах конструкций это способствует увеличению термических напряжений. Прочность алюминиевых сплавов может достигать 500 МПа, но за счет малой плотности r=2700 кг/м3 удельная прочность высокая и приближается к высокопрочным сталям. Алюминиевые сплавы не имеют порога хладноломкости: ударная вязкость равномерно понижается с уменьшением температуры. Сварка алюминиевых сплавов имеет ряд особенностей. При высокой теплоемкости и теплопроводности необходимо обеспечить достаточно интенсивный и концентрированный нагрев при сварке. На качество сварного шва отрицательно влияет окисная пленка - имеющая температуру плавления 2320К. Ее удаляют травлением металла в щелочном растворе , промывкой водой ( 2 раза ) , зачисткой щетками. Окончательно пленка разрушается дугой во время сварки. Сварка необходима дуговая вольфрамовым электродом в среде инертных газов. При качественной сварке статическая прочность сварных соединений термически непрочных сплавов близка к прочности основного металла. При циклической нагрузке прочность сварных соединений намного ниже, чем основного металла. Пример: сплав АМr 5 - sв=120 МПа для основного металла и sв=50 МПа для сварного шва за циклов, j=0,6. При сравнении сварных изделий из аустенитных сталей и алюминиевых сплавов следует отметить, что стали имеют лучшие характеристики, однако дефицитность никеля заставляет улучшать качество сварки алюминиевых сплавов. Наиболее широко используемые сплавы: 1.Термически непрочные а) АмцС - система Al-Mn ( 1-1,4%) .Используется для малонагруженных трубопроводов, обечаек, днищ, пластинчато-ребристый теплообменник. б) Магналии - система Al-Mg (< 7% ) AMr5, AMr6 . Используются для нагруженных деталей в т.ч. сварных : обечайки , днища , фланцев, трубных решеток. Отмечается удачное сочетание прочности, пластичности, свариваемости, коррозионной стойкости. 2.Термически упрочняемые. АК6 , АК8 - деформируемые ( ковочные сплавы ) системы Al-Cu-Mg-Si AK6: 1,8-2,6 Cu; 0,4-0,8Mg; 0,7-1,2 Si; 0,4-0,8 Mn AK8: 3,9-4,8 Cu; 0,4-0,8 Mg; 0,7-1,2 Si Используются для штампованных и кованных деталей сложной формы Т=20-423К. Сплавы склонны к коррозионному растрескиванию под нагружением и разрушаются в зоне сварного шва. 3. Литейные сплавы. Сплавы системы Al-Si : Al₂ ( силумин ) ,Al₉. Имеют хорошие литейные свойства, пониженная прочность при удовлетворительной коррозионной стойкости. Al2 - 10-13 % Si , [s]в=150 МПа. Используется для литых тонкостенных сложных по конфигурации малонагруженных деталей, в том числе, испытывающих ударную нагрузку. Al9 - 6-8 % Si; 0,2-0,4 % Mg Используется для литых тонкостенных сложных по конфигурации нагруженных деталей. Т=77-420К, [s]в=160-200 МПа ( т.о.-закалка). Титан и его сплавы Химически активен, сварка в защитном среде, удовлетворительная пластичность и вязкость до 4К, низкая теплоемкость и теплопроводность, малый коэффициент линейного расширения ( в 2 раза ниже, чем у 12Х18Н10Т )Б модуль нормальной упругости также ниже в 2 раза, поэтому приходится увеличивать толщину деталей. ВТ5-1 - 4-6% Al; 2-3% Sn. T=2-0770 K, sв=740-900 МПа. Применяется в космической технике. Медь и ее сплавы Традиционный материал в криогенике. Плотность r=8900 кг/м³. Обладает: 1. Высокой теплопроводностью; 2. Хорошими технологическими свойствами; 3. Не имеет порога хладноломкости; 1. Технически чистая медь М00-99,99% Cu; М0-99,95% Cu; М1-99,9% Cu; М2-99,7% Cu; М3-99,5% Cu. Применяется: различные трубчатые конструкции- витые и прямотрубные ТО, трубчатые конденсаторы; листовая медь- внутренние емкости и сосуды Дьюара. 2. Латуни - сплав меди с цинком ЛК 80-3Л - 80% Cu, 3% Zn ; [s]в=400 Мпа ; KCU=200 кДж/м² - корпуса арматуры, детандеры. Л63-63% Сu ( остальное медь) - сплав повышенной прочности; [s]в=430 МПа; КСU=1200 кДж/м² Используется в сварных и паяных деталей криогенных аппаратов:обечаек, днищ, фланцев. ЛЖМц59-1-1 - 59% Сu , 1% Fe, 1% Mn Т=20-523К, склонность к растрескиванию. 3. Бронзы- сплав меди, алюминия с содержанием железа и марганца. Литейные и деформируемые сплавы, обладают повышенной прочностью, износостойкостью, коррозионностойкостью. БрАЖМц 10-3-1,5 -10% Al, 1% Fe, 1% Mn ; [s]в=590 МПа; НВ=130; КСU=1000 кДж/м² Применяется для статически и циклически нагруженных деталей, узлов, где требуется малый коэффициент трения- шестерни, элементы подшипников, направляющих втулок. БрАЖН10-4-4 - 10% Al; 4% Fe; 4% Ni , [s]в=700-800 МПа ; НВ=179; КСU=2800 кДж/м², Т=77-425 К. Применяется для нагруженных литых и кованных деталей- втулок, шестерен, седел клапанов. БрБ2 - термически упрочняемый сплав меди и берилия Ве , Ве-1,8-2,1% , Ni -0,2-0,5% Обладает высоким пределом упругости, прочности, релаксационной стойкостью, выносливостью, износостойкостью, пластичностью и вязкостью во всем диапазоне температур Т=4-525К, sв=750-1170 МПа, НВ=150-300. Применяются для изготовления пружин, упругих элементов, искробезопасного специального инструмента . Механические свойства сварных и паяных соединений при низких температурах В результате испытаний показано, что с понижением температуры механические свойства сварных швов изменяются примерно аналогично свойствам основного материала. Сварной шов - это место концентрации напряжений и загрязнений и обычно хрупкое состояние наступает в зоне шва или зоне термического влияния раньше, чем в основном металле. Для повышения показаний пластичности при низких температурах для низкоуглеродистых и малолегированных сталей рекомендуется в качестве наплавляемого материала использовать высоколегированные стали аустенитного класса. Термообработка сварных изделий существенно улучшает работоспособность конструкции, смещая порог хладноломкости в сторону более низких температур. Широко применяются паяные соединения. Прочность оловяно-свинцовых припоев возрастает с понижением температуры, но одновременно уменьшается их пластичность из-за фазового превращения свинца. Повышение в припое Sb увеличивает ударную вязкость. Характеристики некоторых припоев

Марка припоя	Химичес. состав%	Тплавления		sв МПа	KCU кДж/м^2	Назначение
		солидус	линвидус
Припои оловянисто-свинцовые (ГОСТ 21930-76)
ПОС61	59-61% Sn остат. Рв	183	190	42	387	Пайка меди, латуни, стали; лужение. Пайка радиаторов, сосудов, ТО, деталей аппаратуры
ПОС40	39-41% Sn	183	238	36	292
Припои медно-цинковые (ГОСТ 23137-78)
ПМЦ48	46-52%Cu Zn остат.	850	865	206	-	Пайка медных сплавов,бронзы,ста-ли, латуни
Припои серебряные (ГОСТ 19738-74)
ПСр45	45%Ag 30%Cu остат.Zn	660	725	295	-	Пайка медных и бронзовых частей ответственных деталей криостатов и ожижителей
Легко плавкие припои
Легкоплавкий сплавВУДА	50%Bi 25%Bb 12.5%Cd 12,5%Sn	68	-	50	-	Пайка плотных легко разборных соединений, припайка проводов, контактов

Многолетний опыт эксплуатации ожижителей воздуха, водорода, гелия показал, что соединения выполненные оловянно-свинцовыми, медно-цинковыми и серебряными припоями достаточно хорошо работают до гелиевых температур.