Microsoft Word Document (2)

Міністерство освіти і науки молоді та спорту України

Запорізький національний технічний університет

Реферат

з дисципліни "Сталі та сплави з особливими особливостями»

на тему: «Сталі для кріогенної техніки»

Виконав: ст. гр. ІФФ-210 Білоус А.П.

Прийняв: Кононенко Ю.І.

Запоріжжя 2013г.

План

Введение

1. Стали

   1. Сталь 12Х18Н9Т

   2. Сталь 07Х21Н5АГ7

   3. Сталь 03Х20Н16АГ6

   4. Сталь 07Х16Н6

   5. Сталь 0Н9

   6. Сплав 36НХ

2. Алюминии и его сплавы

   1. Сплав АМг5

   2. Сплав Д16

   3. Сплав 1201

3. Медь и ее сплавы

   1. Техническая медь Ml, М2, MS

   2. Латунь Л63

   3. Бронза БрАЖМц

4. Титан и его сплавы.

   1. Технический титан ВТ1—0

   2. Сплав ВТ5—1

   3. Сплав ОТ4—1

Список использованный литературы

Введение

Криогенная техника используется в металлургии, химической промыш­ленности, ракетной и авиационной технике, приборостроении, криобио­логии, криомедицине и т. д. Криогенная техника по функцио­нальному назначению связана с по­лучением сжиженных газов (кислоро­да, азота, водорода, гелия, инертных, а также природных иа основе органи­ческих соединений), их транспорти­рованием и хранением в сжиженном состоянии или использованием в ка­честве рабочих тел. Ниже указаны температуры кипения сжиженных газов при нормальном давлении, которые одновременно указывают на температурные области при­менения конструкционных материалов в криогенной технике.

Газ	Метан	Кислород	Аргон	Фтор
tкип^°С	-161	-183	-185	-188
Газ	Азот	Неон	Водород	Гелий
tкип^°С	-196	-246	-253	-269

Основными требованиями к сталям и сплавам, работающим при низких температурах, являются следующие:

-малая чувствительность к хрупкому разрушению при низких температу. pax, определяемая запасом пластичности и вязкости;

-высокая прочность при 20°С, кото­рая определяет надежность и металло­емкость конструкций, а также коли­чество хладагента, требуемого для их захолаживаиия;

-технологичность при металлургиче­ском и машиностроительном переделе.

При решении вопроса о пригодности материала по механическим свойствам обычно определяют предел текучести, временное сопротивление, относитель­ное удлинение и сужение иа гладких образцах и образцах с концентратором напряжений в виде надреза или тре­щины, ударную вязкость, порог хладноломкости, критерии Ирвина, и критическое раскрытие трещин.

В зависимости от назначения к стали и сплаву могут предъявляться требо­вания по коррозионной стойкости, магнитности или немагнитности, зна­чению коэффициента теплопроводности вакуумплотности и т.д.

В криогенной технике широко используются стали различных классов, сплавы на основе алюминия, меди, реже титана.

Рис.1 Механические свойства стали с 0,03% С и 18% Cr и различным содержанием никеля при t=20, -196, -253°С; термическая обработка закалка с 1050°С в воду; заштрихованные области – возможно, содержание никеля в сталях типа 18-10.

1.Стали. Среди сталей уастенитного класса найбольшее распространение нашли стали типа 18-10 (химический состав по ГОСТ 5632-72) (08Х18НТ,12Х18Н9Т, 12Х18Н10Т, 08Х18Н10Т, 03Х18Н11, 12Х18Н9Т). На рис.1 показаны механические свойства этой группы материалов при 20, -196 и -253°С в зависимости от содержаний никеля. Изменение механических свойств отражают влияние никеля на структуру стали в диапазоне от 20 до -253°С; это влияние выражается в стабилизации аустенита относительно (γ δ) – превращение при нагреве под закалку, а также относительно мартенситного превращения при охлаждении и пластической деформации.

Стали 12Х18Н9Т, 12Х18Н10Т, 03Х18Н11 используют для создания широкой номенклатуры изделий, работающих при температуре от 800 до -269°С, изготовляемых методами горячей и холодной пластической деформации с использованием различных видов сварки и пайки. Термическую обработку сварных и паянных соединений, как правило, не применяют.

1,1 Сталь 12Х18Н9Т используют для изготовления упруго -чувствительных элементов, работающих при криогенных температурах( пружины, мембраны, сильфоны и т.д.); эта сталь хорошо шлифуется и полируется; однако сварные и паянные соединения из этой стали почти всегда требуют термическую обработки во избежание снижения пластичности и охрупчивания при криогенных температурах. Механические свойства, типичные для наиболее распространенных стали 12Х18Н10Т приведены в таблице 1 и 2.

Табл.1 Механические свойства прутковой стали 12Х18Н10Т при температуре от 20 до —269° С

Табл.2 Механические свойства тонколистовой стали 12Х18НЮТ

1,2 Сталь 07Х21Н5АГ7 (ЭП222) (химический состав по ГОСТ 5632-72) предназначена для изготовления сварных и несварных изделий, работающих при температуре от 400 до -253°С. Типичное изделие: подвески в кислородных установках, крепеж, цепи, шпиндели, тонкостенные сварные и паянные конструкции, изготовляемые методами горячей и холодной деформации.

По сравнению со сталями типа 18-10 сталь 10Х21Н5АГ7 обладает более высокой прочностью.

После закалки от 1000-1050°С сталь имеет аустенитную структуру с 5-15% δ-феррита; при нагреве до 600-800°С в аустените преимущественно по границам зерен выделяется карбидная фаза типа Cr₂₃C₆; присутствие карбидной сетки оказывает отрицательное влияние на ударную вязкость, особенно при низких температурах. В связи с этим изделие, которые подверглись в подверглись в процессе технологических операций нагреву в интервале 600-800°С, должны подвергается термической обработке, состоящей в закалке с 1000-1050°С в воду.

Механические свойства стали 07Х21Н5АГ7 представлены в таблице 3 и 4.

Табл.3 Механические свойства стали 07Х21Н5АГ7 при температуре от 20 до -253°С

Табл.4 Влияние холодной пластической деформации на механические свойства стали 07Х21Н5АГ7

Сталь 07X21Н5АГ7 технологична при аргонодуговой сварке вольфрамо­вым электродом с присадкой я без присадки, плавящимся электродом среде гелия высокой чистоты, при ав­томатической сварке под флюсов АН-26. В качестве присадочного материала применяют проволоку марок Св-10Х16Н25АМ6 и Св-08Х 15Н23В7Г7М2; сталь удовле­творительно сваривается со сталями 12Х18Н10Т, 12Х21Н5Т, 07Х16Н6 и др,

1,3 Сталь 03Х20Н16АГ6 предназначена для изготовления сварных крупнога­баритных емкостей и резервуаров, на­водящихся длительное время под дав­лением при периодической смена тем­ператур от 20 до —269 °С; допускается применение стали при температуре от 600 до —259 °С без ограничения давления.

Химический состав следующий (мас, доли, %): С < 0,025; Si < 0,6; Мn 6-7,5; Сг 20—25; Ni 15—16,5; N 0,15— 0,28; S < 0,02; Р < 0,025.

Для стали 03Х20Н16АГ6 характер­на стабильно аустенитная структура во всем диапазоне температур: от на­грева под горячую пластическую об­работку до температуры сжиженного гелия (— 269 °С). Пластическая дефор­мация при 20 °С и криогенных тем­пературах также не вызывает фазовых превращений мартенситиого типа. По указанным причинам сталь остается немагнитной.

Единственной фазовой реакцией, протекающей в стали, является вы­деление карбидной и нитридной фаз (Сr₂₃ С₆ и CrN) при нагреве в интервала 600—850 °С; первые выделения этих фаз по границам зерен обнаруживаются после выдержки 1 час, что приводит к снижению ударной вязкости при криогенных температурах. Легирова­ние стали азотом и наличие стабиль­ного аустенита дает возможность получить одновременно достаточно высо­кую для аустенитной стали прочность при 20°С и высокий запас пластич­ности и вязкости при низких темпе­ратурах (табл. 5 и 6 ).

Сталь 03Х20Н16АГ6 сваривается ручной дуговой сваркой, ручной и автоматической аргонодуговой, авто­матической сваркой под флюсом. Стой­кость стали к образованию трещин удовлетворительная.

Табл. 5 Механические свойства стали 03Х20Н16АГ6 при температуре от 20 до -269°С (термическая обработка: закалка с 1000°С в воду)

Табл.6 Влияние холодной пластической деформации на механические свойства стали 03Х20Н16АГ6 (термическая обработка: закалка с 1000°С в воду)

1,4 Сталь 07Х16Н6 (ЭП 288) аустенитно-мартенситного класса (химический состав по ГОСТ 5632—72) применяется для изготовления нагруженных дета­лей, работающих от 20 до —253 °С. При кратковременной выдержке максимальная температура эксплуатации стали 500 °С, а при длительной вы­держке 400 °С.

После нагрева до 1000 °С и охлажде­ния в воде или на воздухе до 20°С структура стали состоит из 10—50% мартенсита (остальное аустенит). Охла­ждение предварительно нормализован­ной или закаленной стали до —70°С в течение 2 часов повышает содержаний мартенситной составляющей до 80%; охлаждение до более низких температур, например до -196 к дополнительному превращению не приводит; обратное превращение α > γ начинается в стали примерно при 500 °С.

В интервале 600—800°С по границам аустенитных зерен выделяются карбиды хрома (Cr₂₃ С₆); карбидная реакция может начаться уже при медленном охлаждении в данном интер­вале температур, тем более при изо- термической выдержке. Образование карбидной сетки приводит к снижению пластичности и ударной вязкости при криогенных температурах.

Сталь 07Х16Н6 обладает хорошей технологичностью при аргонодуговой сварке вольфрамовым электродом без присадки , и с присадкой, плавящимся электродом в среде гелия и смеси аргона с 15-20% углекислого газа. Для выполнения сварных соединений подвергаемых термической обработке, в качестве присадочного материала применяют сварочную проволоку 07Х16Н6; при этом минимальная температура эксплуатации сварных соединений -253°С.

Механические свойства стали 07Х16Н6 приведены в таблице 7.

Табл.7 Механические свойства стали 07Х16Н6 при низких температурах.

1,5 Сталь 0Н9 (химический состав (мас. доли%); С≤0,10; Mn 0,3-0,6; Si 0,15-0,35; Ni 8,5-10,0; S≤0,15; P≤0,02) широко применяется за рубежом и в меньшей степени у нас; она предназначена для изготовления крупногабаритных и других сварных резервуаров, используемых для хра­нения и транспортирования сжижен­ных газов с температурой кипения не ниже — 196°С.

После нормализации с температуры Ас₃+ 30°С сталь имеет структуру мартенсита с 10—15% аустенита.

Термическая обработка стали ОН9 может осуществляться по двум режи­мам:

-двойная нормализация с 900 и 790 ^СС, высокий отпуск при 550—

600 °С.

-закалка с 810—830 °С в воду, высокий отпуск при 550—600 °С,

Механические свойства стали 0Н9 приведены в таблице 8.

Смягчающей термической обработ­кой для стали 0Н9 является длитель­ный отпуск при 500—550 °С.

Сварку листов или других полу­фабрикатов, прошедших окончатель­ную термическую обработку, ведут с присадочным материалом из аустенитной стали.

Табл.8 Механические свойства стали 0Н9 при низких температурах.

1,6 Сплав 36НХ относится к типу инварных, т.е. имеет малоизменяющийся и низких температурный коэффициент линейного расширения (рис. 1). Сплав применяют в сварных конструкциях, работающих в условиях циклической смены температур от 20 до -253°С, например, для изготовления бескомпенсационных криотрубопроводов. Хи­мический состав сплава следующий доля, %); С <0,05; Si < 0,3; Мn 0,3-0,6; Ni 35,0-37,0; Сг 0,4- Си 0,25; S 0,02; Fe — остальное.

В закаленном состоянии (800-1000°С) сплав имеет структуру γ-твердого раствора, которая устойчива против мартенситного превращения при длительном нагружении при температуре до -253°С.

Для максимальной стабилизации коэффициента рекомендуется следующий режим: закалка с 840-850°С; отпуск для снятия внутренних напряжений при 310-330°С, 1 час, воздух; стабилизирующий отпуск при 100°С, 48 часов, воздух.

Хранение изделий на открытом воз­духе допускается только в упакован­ном виде с применением ингибиторов.

Механические и физические свойства сплава 36НХ приведены в таблице 9 и 10.

Табл. 9 влияние режима термической обработки на механические свойства сплава 36НХ

Табл. 10 Температурный коэффициент линейного расширения (α *10⁶ , °С^-1 ) сплава 36НХ после различных режимов термической обработки.

Сплав 36НХ толщиной до 4 мм сва­ривается аргонодуговой сваркой про­волокой 36НГТ и 36НГ6 и неплавящимся электродом. Сварные соединения не требуют термической обработки.

2.Алюминии и его сплавы. В металло­конструкциях криогенной техники до­ля алюминия и его сплавов составляет примерно 30 % общего объема исполь­зуемого металла.

Для алюминия характерно отсут­ствие порога хладноломкости, сохра­нение высокой пластичности с пони­жением температуры (а иногда даже ее повышение), малая зависимость прочности от температуры ниже нуля, коррозионная стойкость на воздухе и в окислительных средах, высокая тепло- н электропроводность. Эти свой­ства алюминия в той или иной степени наследуются его сплавами; это и оправ­дывает их широкое распространение в криогенной технике.

В табл. 11 приведены механические свойства отожженного алюминия АД1 (1013) (химический состав по ГОСТ 4784—74). Термическая обработка технического алюминия заключается в от­жиге при 350—400°С с охлаждением на воздухе.

Табл. 11 Механические свойства отоженного алюминия АД1

Технический алюминий хорошо сва­ривается газовой, аргонодуговой, кон­тактной сваркой.

Технический алюминий используют во всем диапазоне температур ниже 150 °С для труб теплообменных аппа­ратов и других малонагруженных де­талей н узлов. Среди деформируемых сплавов алюминия в криогенной тех­нике наибольшее распространение по­лучили сплавы системы At—Mg — магналнн (АМгб, АМгб и др.), а также сплавы на основе более сложных си­стем легирования: с добавками медн, магния, марганца и др. (АВ, Д16, 1201, А Кб и др.).

В криогенной технике применяют также литейные алюминиевые сплавы, Равным образом силумины, легиро­ванные 6—13 % Si. Ниже приведена Характеристика наиболее употребляе­мых сплавов алюминия.

2,1 Сплав АМг5 (химический состав по ГОСТ 4784—74) применяют для на­туженных деталей, в том числе свар­ных: обечаек, днищ, фланцев, трубных Решеток и других металлоизделий, Работающих при температуре —253,

-150°С.

Термическая обработка сплава: от­жиг при 305—340 "С, охлаждение на воздухе. После такой обработки сплав имеет механические свойства, указан­ные в табл. 12.

Чаще всего для изготовления свар­ных металлоизделий применяют аргонодуговую сварку.

Табл.12 Механические свойства сплава АМг5 при низких температурах.

2,2 Сплав Д16 (химический состав по ГОСТ 4784—74) обладает высокой проч­ностью; однако при этом он имеет пониженную стойкость против равно­мерной и межкристаллитной коррозии, а также коррозии под напряже­нием.

В криогенной технике сплав Д16 применяют для нагруженных несвариваемых деталей (крепежа, фланцев и т. д.), работающих в интервале температур —253-230°С, Промежу­точная термическая обработка сплава Д16 состоит в отжиге при 380—430 °С с охлаждением до 275—250 °С со ско­ростью не более 30°/ч, далее на воз­духе. Окончательная термическая обра­ботка состоит в закалке с температуры 500 °С в воду и естественного старения при 20 °С в течение 90—100 часов (табл. 13); нагартованные листы после холодной прокатки непосредственно подвергают искусственному старению при температуре 130 в течение 20 ч.

Табл.13 Механические свойства сплава Д16 при низких температурах (термическая обработка: закалка + естественное старение)

2,3 Сплав 1201 (химический состав (мас доли, %): Сu 5,8-6,8; Мn 0,2-0,4; Zr 0,10—0.25; V 0,05—0,15; Ti 0,02-0,10) принадлежит к упрочняемым свариваемым сплавам алюминия. Сплав 1201 применяют для изготовления сварных металлоизделий: обечаек днищ, фланцев и т. д., работающий в интервале температур —253-200 °С (в случае кратковременного нагружения до 300 ^°С).

Смягчающей термической обработ­кой сплава является отжиг при тем­пературе 350—370 °С в течение 2—4 часа с охлаждением на воздухе.

Упрочняющая термическая обработ­ка состоит в закалке с температуры

540 °С в воду с последующим искус­ственным старением при 150—190 °С, 18 ч (табл. 14).

Табл. 14 Механические свойства сплава 1201 при низких температурах (термическая обработка (лист): закалка, правка листа с деформацией 1-3 %, искусственное старение при 180°С 18 часов)

Сплав 1201 сваривают аргонодуговым, гелиево-дуговым, электронно-лу­чевым, шовным и точечным способами.

3. Медь и ее сплавы являются мате­риалами, которые одними из первых стали применяться в криогенной тех­нике. Для меди характерна высокая пластичность и вязкость до температур, близких к абсолютному нулю; при испытаниях в области криогенных температур медь не показывает даже признаков хрупкого разрушения; чи­стая медь имеет высокую теплопровод­ность и коррозионную стойкость в ат­мосферных условиях и многих агрес­сивных средах.

3,1 Техническая медь Ml, М2, MS (хи­мический состав по ГОСТ 859—78) применяется для изготовления метал­лоизделий криогенной техники, ра­ботающих при температурах от абсо­лютного нуля до 250 ^СС, в том числе днищ, обечаек трубчатых теплообменинков. Листовую медь используют для внутренних емкостей и экранов сосудов Дьюара для хранения и транс­портирования сжиженных газов. В табл. 15 представлены механи­ческие свойства технической меди при низких температурах.

Табл.15 Механические свойства отожеженной меди М3 при низких температурах

Техническая медь применяется в отожженном (мягком) состоянии (тем­пература отжига составляет 500— 700 °С), а также после холодной нагартовки. Основной вид соединения – пайка на мягких (типа ПОС) и твердых (типа ПСр) припоях. Можно получать и сварные соединения, что, однако, связано с рядом трудностей. В криоген­ной технике применяют ручную сварку плавящимся электродом (например, «Комсомолец-100»); применяется свар­ка под слоем флюса и в защитных газах. При толщине сечения изделия более 10 мм сварку проводят с подо­гревом.

3,2 Латунь Л63 (химический состав по ГОСТ 15527—70) применяется в крио­генной технике при температурах —253-250°С в мягком и полутвердом состоянии (обечайки, днища, фланцы и ар.). После холодной деформации латунь Л63 подвергают отжигу при 600— 700°С; для снятия внутренних напряжений применяют отжиг при 270-285 ^СС.

Механические свойства этой латуни приведены в табл. 16.

Табл. 16 Механические свойства латуни Л63 при низких температурах (пруток диаметром 10-12мм)

Сплав имеет удовлетворительную свариваемость; применяют автомати­ческую сварку с присадочным материа­лом из бронзы БрОЦ4—3 и флюсом АН-20. При сварке деталей сложной конфигурации или толщиной более 10мм необходим предварительный нагрев.

Латунь Л63 проявляет хорошую технологичность при пайке оловянисто-свинцовыми припоями (ГЮС 40) и свинцово-серебряными типа ПСр 1,5.

3,3 Бронза БрАЖМц 10—3—1,5 отно­сится к деформируемым и литейным Материалам на основе системы медь— алюминий (10 %) - железо (3 %) — марганец (1,5 %) (химический состав по ГОСТ 18175—78). Сплав используют для изготовления деталей, работаю­щих при —196-150°С в условиях ста­тической и циклической нагрузок, когда требуется малый коэффициент трения (шестерни, втулки, арматура, фасонное литье и т. д.).

В деформированном состоянии сплав Применяется непосредственно после го­рячей пластической деформации и по­сле закалки с отпуском (табл. 17).

Табл. 17 Механические свойства бронзы БрАЖМц 10—3—1,5 при низких температурах.

Смягчающей термической обработкой для сплава БрАЖМц 10—3—1,5 яв­ляется отжиг при температуре 700 °С ± 50 ^СС с охлаждением с печью.

Соединения из сплава выполняются сваркой и пайкой.

При сварке деталей толщиной до 4 мм применяются все виды дуговой сварки без предварительного подо­грева; при автоматической сварке ис­пользуют флюс АН-20 и проволоку близкого состава.

Пайку осуществляют на низкотем­пературных оловянисто-свинцовых и высокотемпературных серебряных при­поях.

4. Титан и его сплавы. Для криоген­ной техники тнтан и его сплавы относи­тельно новые материалы, однако их применение с каждым годом расши­ряется. Титан и его сплавы, обладая достаточно высокой прочностью при 20 ^СС (на уровне аустенитных и других сталей), имеют удовлетворительную пластичность и ударную вязкость при криогенных температурах. Преимуществом гитана является ма­лая плотность (4500 кг/м³), что обес­печивает его сплавам удельную проч­ность более высокую, чем прочность многих сталей и алюминиевых сплавов. Высокая удельная прочность сплавов титана необходима для изготовления деталей и узлов летательных аппа­ратов.

Титан немагнитен и, следовательно, может применяться в криоэнергетике для изготовления электрических ма­шин, использующих сверхпроводящие материалы.

4,1 Технический титан ВТ1—0 (хими­ческий состав по ОСТ 1-90013—78) применяют для изготовления несварных и сварных конструкций (обечаек, фланцев и т. д.), работающих под дав­лением в интервале температур —269+ 250 °С.

Технический титан используется в отожженном состоянии: отжиг выполняется при 520-540°С; желательно нагрев полуфабрикатов или деталей осуществлять в вакуумных печах или в печах с защитной атмосферой. В отожженной состоянии технический титан имеет механические свойства приведенные в таблице 18.

Табл. 18 Механические свойства технического титана ВТ10 при низких температурах (термическая обработка: отжиг)

Технический титан хорошо свари­вается; при этом сварку осуществляют аргонодуговым способом при малой погонной энергии. Для однородных соединений или соединений с алюминием применяют пайку в вакууме, аргоне, диффузионную. Наилучшие свойства паяных соединений достига­ются присадкой серебра.

Титан обладает высокой коррозионной стойкостью в атмосферных условиях и окислительных средах.

4,2 Сплав ВТ5—1 (химический состав по ОСТ 1-90013—78) предназначен для изготовления деталей и узлов, в том числе сварных, работающих под дав­лением в интервале температур —253-т- 500°С. Сплав в основном используется в отожженном состоянии; от- л;иг проводится при 700—750 °С.

После отжига сплав ВТ5-1 имеет механическим свойств, указанные в таблице 19.

Табл. 19 Механические свойства сплава ВТ5-1 при низких температурах (термическая обработка: отжиг при 720°С)

Сплав технологичен при сварке: аргонодуговой под слоем флюса, элек­трошлаковой и др, При изготовлении из сплава ВТ5—1 крепежа последний подвергается оксидированию при 890 °<3 в течение 6 часов.

4,3 Сплав ОТ4—1 (химический состав по ГОСТ 1-90013—78) предназначен для изготовления деталей и узлов, в том числе сварных, сосудов и т. д.» работающих при — 196-350°С; в от­дельных случаях, когда содержание легирующих элементов (алюминия и марганца ) находится на нижнем пределе, допускается применение сплава, начиная с -253°С.

Сплав используется в виде труб, листа и других полуфабрикатов в ото­жженном состоянии; температура от­жига 740—760°С.

Для снятия наклепа применяют от­жиг при 640—660 °С, а для снятия внутренних напряжений — при 520— 560°С.