Az alumíniumötvözetek azon kevés szerkezeti fémek közé tartoznak, amelyek a hőmérséklet abszolút nulla felé csökkenésével inkább megerősödnek, semmint törékennyé válnak. Ez a viselkedés teszi ezeket az alapértelmezett választássá a cseppfolyósított földgáz elszigeteléséhez, a levegőleválasztó oszlopokhoz, a szupravezető mágneses szerkezetekhez és a kriogén vizsgálóberendezésekhez, ahol az acélnak ütési -vizsgált minőségekre és gondos átmenet{2}}hőmérsékletszabályozásra van szüksége. Az ok a kristályszerkezetben és a diszlokációk mozgásában rejlik, amikor a hőenergia szinte hiányzik.
Miért fontos az arc-központú köbös szerkezete alacsony hőmérsékleten?
Az alumíniumnak van egy homlok-középpontos köbös rácsja tizenkét csúszási rendszerrel, és nem mutat olyan képlékeny-a-törékeny átmenetet, mint amilyen a test-központú köbös acéloknál található. A hőmérséklet csökkentése növeli a diszlokációk mozgatásához szükséges feszültséget, miközben a rendelkezésre álló csúszórendszerek száma változatlan marad, így az anyag megkeményedik anélkül, hogy elveszítené a plasztikus deformáció képességét. Ez az oka annak, hogy egy alumínium alkatrészt folyékony nitrogénben vagy folyékony héliumban lehet hűteni anélkül, hogy a ferrites acélt a szívósság hirtelen elveszítené.
Az alumínium nagy hővezető képessége ugyanabban az irányban működik: egyenletesen osztja el a hőt az alkatrészen keresztül, korlátozva a helyi hőgradienseket, amelyek egyébként nagy másodlagos feszültségeket generálnának az edény falában vagy a tartórudakban.
A mechanikai tulajdonságok trendjei -150 fok alatt
A legtöbb alumíniumötvözet szakítószilárdsága és folyási szilárdsága nő, ha a hőmérséklet -150 fok alá csökken, míg a nyúlás vagy nő, vagy lényegében stabil marad, mivel a diszlokációs mozgás elnyomódik, és a deformáció a rácson keresztül terjed, nem pedig lokalizálódik.
A szakítószilárdság fokozatosan emelkedik a folyékony hélium hőmérsékletéig, a legnagyobb relatív növekedéssel az 5xxx és 1xxx családban.
A nyúlás megmarad vagy javul; Az 5083 ötvözet például több mint 20%-os nyúlást tart fenn -269 fokon.
A bevágás érzékenysége csökken, így a rovátkolt húzó minták kisebb sérülést mutatnak a sima mintákhoz képest, mint szobahőmérsékleten.
A kifáradási repedések növekedése felgyorsulhat erős hőciklus esetén, ezért a ciklikusan terhelt kriogén komponenseknél szükség van a termikus kifáradás értékelésére.
A törési szilárdság továbbra is magas, ez az a tulajdonság, amely alkalmassá teszi az ötvözetcsaládot az elszigetelési szolgáltatásra.
Kohászati változások kriogén hőmérsékleten
Az érdekes változások inkább termodinamikaiak, mint szerkezetiek. Az ötvözőelemek, például a magnézium oldhatósága a hőmérséklet csökkenésével meredeken csökken, így minden oldott anyag messze meghaladja az egyensúlyi határt. A diffúzió azonban hatékonyan lefagy, így a csapadékos keményedés nem mehet végbe, és nem következik be túl-öregedés a szervizelés során. A gyakorlati hatások a következők:
Az oldott atomok továbbra is rögzítik a diszlokációkat, ami az egyik oka a folyáshatár növekedésének.
A diffúzió{0}}vezérelt folyamatok, beleértve a csapadékot és a visszanyerést is, szinte teljesen elnyomják.
A test-központú köbös fémekkel ellentétben nem történik képlékeny-a-törékeny átmenet.
A tervezésnél figyelembe kell venni a termikus összehúzódást, mert az alumínium összehúzódása eltér a gyakran csavarozott acélétól vagy kompozitétól.
Ezek a jellemzők teszik lehetővé az alumínium felhasználását szupravezető mágneses rendszerek szerkezeti elemeihez, ahol folyékony hélium hőmérsékleten nem-mágneses, méretstabil és hővezető anyagra van szükség.
Ötvözetválasztás a kriogén szolgáltatáshoz
| Sorozat | Kriogén viselkedés | Tipikus használat |
|---|---|---|
| 5xxx (Al-Mg) | Kivételes szívósság és rugalmasság megtartása; Az 5083 több mint 20%-os nyúlást tart -269 fokon | LNG tartályok, kriogén tartályok, hegesztett szerkezetek |
| 6xxx (Al-Mg-Si) | Jó hegeszthetőség és közepes szilárdság; temperálás után stabil tulajdonságok | Kriogén edényelemek és tartók |
| 1xxx (nagy tisztaságú) | Nagyon magas vezetőképesség alacsony mágneses válaszadás mellett | Szupravezető mágneses alkatrészek és kriosztát alkatrészek |
| 3xxx (Al-Mn) | Jó alakíthatóság és közepes kriogén szilárdság | Hőcserélő és csatorna alkalmazások |
Az 5xxx sorozat továbbra is a hegesztett kriogén szigetelés igáslója, mert egyesíti a kriogén szívósságot a nem -hővel-kezelhető temperációval, amelyet nem befolyásol a hegesztési hő. Az ötvözetválasztás ezután az alkatrész specifikus hőösszehúzódási és szilárdsági követelményeihez igazodik.
Hegesztési és gyártási szabályok a kriogén szolgáltatáshoz
A hegesztésnél a kriogén tervezés leggyakrabban kudarcot vall, ezért a gyártást minősített eljárások szabályozzák, nem pedig a kezelő döntése.
A töltőanyag kiválasztásának meg kell akadályoznia a megszilárdulási repedéseket; az 5xxx nem nemesfémre jellemzőek a megfelelő vagy valamivel magasabb-magnéziumtartalmú töltőanyagok.
A porozitás kockázatát a tisztaság, a száraz védőgáz és a nedvesség-{0}}mentes fogyóeszközök szabályozzák, mivel a hidrogénfelvétel a hegesztési varratok porozitásának fő forrása.
A hegesztési varrat és a szomszédos szerkezet közötti nem illeszkedő hőtágulás visszamaradó feszültséget idéz elő, amelyet a kötés kialakításával, a kiegyensúlyozott hegesztési sorrenddel és szükség esetén előfeszítéssel kezelnek.
Az utólagos-hegesztési hőkezelés általában kerülendő az 5xxx-es munkáknál, mivel ez csekély előnnyel jár, és csökkentheti a tulajdonságokat; a hőkezelhető
Az eljárás minősítése a megfelelő hegesztési szabvány szerint történik, mint például az ISO 15614-2 vagy az ASME IX. szakasza, míg magát az alaplapot az ASTM B209 vagy GB/T 3880 szabvány szerint szállítják.
Az ütés és a szívósság ellenőrzése üzemi hőmérsékleten történik, nem szobahőmérsékleten.
Gyakran Ismételt Kérdések
K: Miért nem válnak rideggé az alumíniumötvözetek kriogén hőmérsékleten?
A homlokzat-középpontos köbös rácsuk tizenkét csúszási rendszert tart aktívan a hőmérséklet csökkenésével, így a fém megkeményedik anélkül, hogy a test-központú köbös acéloknál tapasztalható képlékeny---törékeny átmenet alakulna ki.
K: Melyik alumíniumötvözetet használják legszélesebb körben az LNG elszigetelésére?
Az 5083-as ötvözet a referenciaanyag: több mint 20%-os nyúlást tart meg -269 fokon, hőkezelhető temperálási probléma nélkül hegeszt, és megőrzi magas törési szívósságát üzemi hőmérsékleten.
K: Növekszik a szilárdság, ha az alumíniumot -150 fok alá hűtik?
Igen. A szakítószilárdság és a folyási szilárdság fokozatosan növekszik a hőmérséklet csökkenésével, a diszlokációs mozgással szembeni fokozott ellenállás hatására, és a hajlékonyság általában megmarad vagy javul egyidejűleg.
K: Hegeszthető-e alumínium kriogén edényekhez utólagos -hegesztési hőkezelés nélkül?
5xxx ötvözetek esetén a hegesztési varrat utólagos hőkezelése- általában szükségtelen és kerülendő, de a hegesztési eljárást továbbra is elismert szabvány szerint kell minősíteni a porozitás, a repedés és a maradék feszültség ellenőrzése érdekében.
K: Mi a fő tervezési kockázat a kriogén alumínium szerkezeteknél?
Termikus összehúzódási eltérés a szomszédos acél- vagy kompozit szerkezettel szemben, amely maradék és másodlagos feszültségeket generál, valamint a fáradási repedés növekedését ismételt hőciklus során.
K: Miért használnak nagy-tisztaságú 1xxx alumíniumot szupravezető rendszerekben?
A magas hővezető képességet alacsony mágneses válaszjellel kombinálja, és folyékony hélium hőmérsékleten is képlékeny marad, ami megfelel a kriosztát és a mágnes szerkezeti elemeinek.
