Легуре алуминијума су међу ретким конструкцијским металима који постају јачи, а не кртији како температура пада ка апсолутној нули. То их понашање чини подразумеваним избором за задржавање течног природног гаса, стубове за одвајање ваздуха, структуре са суправодљивим магнетима и криогене тестне платформе, где би челик захтевао-проверу квалитета и пажљиву транзицију{2}}контролу температуре. Разлог лежи у кристалној структури и у начину на који се дислокације крећу када топлотна енергија скоро да изостаје.
Зашто је кубична структура{0}}центрирана на лицем важна на ниским температурама
Алуминијум има кубичну решетку{0}}центрирану на лицу са дванаест система клизања и не показује дуктилни-у-крти прелаз какав се налази у кубичним челицима са центрима за тело{3}}. Смањење температуре подиже напрезање потребно за померање дислокација, а број доступних система клизања остаје непромењен, тако да се материјал стврдњава без губитка способности пластичног деформисања. Због тога се алуминијумска компонента може угасити у течном азоту или течном хелијуму без наглог губитка жилавости који би пратио феритни челик.
Висока топлотна проводљивост алуминијума ради у истом правцу: равномерно дистрибуира топлоту кроз компоненту, ограничавајући локалне топлотне градијенте који би иначе генерисали високе секундарне напоне у зиду посуде или потпорном подупирачу.
Трендови механичких својстава испод -150 степени
Већина легура алуминијума добија на затезности и чврстоћу течења како температура падне испод -150 степени, док се издужење или повећава или остаје суштински стабилно јер је померање дислокације потиснуто и деформација се шири кроз решетку уместо да се локализује.
Затезна чврстоћа прогресивно расте до температуре течног хелијума, са највећим релативним добицима у породицама 5ккк и 1ккк.
Издужење се задржава или побољшава; легура 5083 на пример одржава више од 20% издужења на -269 степени.
Осетљивост на зарезе опада, тако да узорци са зарезима показују мање штете у односу на глатке узорке него на собној температури.
Раст пукотина због замора може се убрзати под тешким термичким циклусима, тако да је процена топлотног замора потребна за циклично оптерећене криогене компоненте.
Чврстоћа на лом остаје висока, што је својство које квалификује породицу легура за задржавање.
Металуршке промене на криогеној температури
Занимљиве промене су термодинамичке, а не структурне. Растворљивост легирајућих елемената као што је магнезијум нагло опада како температура опада, тако да је свака растворена супстанца далеко изнад своје границе равнотеже. Међутим, дифузија је ефективно замрзнута, тако да таложно очвршћавање не може да се настави и не долази до пре-старења током употребе. Практични ефекти су:
Растворени атоми настављају да причвршћују дислокације, што је један од разлога зашто расте граница течења.
Процеси{0}}контролисани дифузијом, укључујући падавине и опоравак, су скоро потпуно потиснути.
Не долази до преласка дуктилног-у-кртог, за разлику од кубних метала{2}}центрираних на тело.
Термичка контракција се мора узети у обзир у дизајну, јер се контракција алуминијума разликује од контракције челика или композита на који је често причвршћен.
Ове карактеристике омогућавају да се алуминијум користи за структурне компоненте суперпроводних магнетних система, где је потребан немагнетни, димензионално стабилан и топлотно проводљив материјал на температури течног хелијума.
Избор легуре за криогене услуге
| Сериес | Криогено понашање | Типична употреба |
|---|---|---|
| 5ккк (Ал-Мг) | Изузетна жилавост и задржавање дуктилности; 5083 задржава више од 20% издужења на -269 степени | ЛНГ резервоари, криогене посуде, заварене конструкције |
| 6ккк (Ал-Мг-Си) | Добра заварљивост и умерена чврстоћа; својства стабилна када се темперирају | Компоненте и носачи криогених посуда |
| 1ккк (високе чистоће) | Веома висока проводљивост са ниским магнетним одзивом | Компоненте суперпроводног магнета и делови криостата |
| 3ккк (Ал-Мн) | Добра формабилност и умерена криогена чврстоћа | Примене измењивача топлоте и канала |
Серија 5ккк остаје радни коњ за заварене криогене изолације јер комбинује криогену жилавост са темпераментом који се не-третира- топлотом и на који топлота заваривања не утиче. Одабир легуре се затим прерађује према специфичним захтевима термичке контракције и чврстоће компоненте.
Правила заваривања и израде за криогене услуге
Заваривање је место где криогени дизајн најчешће не успева, тако да се производња контролише квалификованим процедурама, а не проценом оператера.
Избор метала за пуњење мора спречити пуцање учвршћивања; одговарајући или мало већи-магнезијумски пуниоци су типични за 5ккк основни метал.
Ризик од порозности се контролише чистоћом, сувим заштитним гасом и потрошним материјалом{0}}без влаге, пошто је сакупљање водоника главни извор порозности завара.
Неусклађено топлотно ширење између шава и суседне структуре изазива заостало напрезање, којим се управља дизајном спојева, уравнотеженим редоследом заваривања и пред{0}}напрезањем где је потребно.
Термичка обрада након{0}заваривања се обично избегава за 5ккк радове јер нуди мало користи и може да смањи својства; за легуре које се обрађују термички{2}}контролисано је тако да се темперамент не уништи.
Квалификација поступка прати одговарајући стандард за заваривање као што је ИСО 15614-2 или АСМЕ Секција ИКС, док се сама основна плоча испоручује према АСТМ Б209 или ГБ/Т 3880.
Провера ударца и жилавости се врши на радној температури, а не на собној температури.
Често постављана питања
П: Зашто легуре алуминијума не постају крте на криогеној температури?
Њихова кубична решетка{0}}центрирана на лице одржава дванаест система клизања активним како температура пада, тако да се метал стврдњава без дуктилног-у-прелаза који се види код кубичних челика-центрираних на тело.
П: Која се легура алуминијума најчешће користи за задржавање ЛНГ-а?
Легура 5083 је референтни материјал: задржава више од 20% издужења на -269 степени, завари без проблема термички обрадиве температуре и одржава високу жилавост лома на радној температури.
П: Да ли се снага повећава када се алуминијум охлади испод -150 степени?
Да. Затезна чврстоћа и граница попуштања прогресивно расту како температура пада, вођени повећаним отпором на кретање дислокације, а дуктилност се нормално задржава или побољшава у исто време.
П: Може ли се алуминијум заварити за криогене посуде без термичке обраде након{0}}заваривања?
За легуре 5ккк термичка обрада након-заваривања је генерално непотребна и избегава се, али поступак заваривања и даље мора да буде квалификован према признатом стандарду за контролу порозности, пуцања и заосталог напрезања.
П: Који је главни ризик дизајна у криогеним алуминијумским структурама?
Неусклађеност термичке контракције у односу на суседну челичну или композитну структуру, која генерише заостала и секундарна напрезања, заједно са растом прслина услед замора при поновљеном термичком циклусу.
П: Зашто се алуминијум високе{0}}чистоће 1ккк користи у суперпроводним системима?
Комбинује високу топлотну проводљивост са ниским магнетним одзивом и остаје дуктилна на температури течног хелијума, што одговара структурним компонентама криостата и магнета.
