Применение 

Алюминиевые сплавы для низких температур

 

Алюминий и его сплавы не имеют перехода от вязкого к хрупкому при низких температурах, более того, их прочность увеличивается с понижением температуры. Прочность алюминиевых сплавов в стабильных состояниях не зависит от времени выдержки при низких температурах. Тоже самое относится и к прочности при комнатной температуре после выдержки при низкой температуре (рис. 1)[1].

Повышение прочности алюминиевых сплавов при низких температурах незначительно до минус 50 °С, но начинает значительно возрастать ниже минус 100 °С (рис. 1).

Относительные удлинения большинства алюминиевых сплавов также увеличиваются при снижении температуры до минус 196 °C. У некоторых сплавов, особенно с более высоким содержанием магния (4,5% и выше), относиельное удлинение снова начинают уменьшаться, но не ниже значения для комнатной температуры [1].

Прочность на сдвиг, сжатие и смятие – все повышаются при низких температурах.

Модули упругости при нагрузках на растяжение, сжатие и сдвиг на 12% выше при минус 196 °С, чем при комнатной температуре (рис. 2)

Рисунок 1 – Tensile Properties of 6061 Alloy Heat Treated, Artifically Aged [1]

Рисунок 2 – Modulus of Elasticity of Aluminium at Various Temperatures [1]

Алюминиевые сплавы для криогенных температур

Деформированными алюминиевыми сплавами, которые чаще всего применяют для работы при отрицательных (низких) и криогенных температурах, являются сплавы;

  • 1100
  • 2014
  • 2024
  • 2090
  • 2219
  • 3003
  • 5083
  • 5456
  • 6061
  • 7005
  • 7039
  • 7075.

Алюминий 1100

При комнатной и отрицательных температурах сплав 1100 имеет относительно низкую прочность и в отожженном состоянии О,  и в нагартованных состояниях Н. В сварных соединениях и основной металл, и сварочный металл сохраняют хорошую пластичность вплоть до очень низких температур. Предел прочности сварного шва прутка из сплава 1100 в состояниях О и Н12 при температуре –196 °С составляет около 190 МПа. Алюминий 1100 применяют в виде труб, листов, плит и прутков в некритических компонентах криогенных систем.

Алюминиевый сплав 2014

Алюминиевый сплав 2014-Т6 имеет относительно высокую прочность 480-490 МПа при комнатной температуре и при отрицательных температурах. Он сохраняет примерно без изменений пластические и вязкие свойства до температуры жидкого азота (‒196 °С). При этом модуль упругости (модуль Юнга) повышается с 75 до 83 ГПа, а коэффициент Пуассона снижается с 0,34 до 0,32.

Алюминиевый сплав 2024

Этот алюминиевый сплав в состояниях Т3, Т4 и Т8 имеет высокую прочность 480-490 МПа и при комнатной температуре, и при отрицательных температурах. Прочность сварного шва этого сплава ниже, чем у сплава 2024. Этот сплав применяют в самолетостроении и аэрокосмической технике и соединяют механическими методами, например, заклепками.

Алюминиевый сплав 2090

Этот сплав относится к алюминиево-литиевым сплавам. Его формула (по средним значениям содержания): Al-2,7Cu-2,2Li-0,12Zr. Содержание лития – от 1,9 до 2,6 %. Криогенные свойства таких облегченных сплавов (плотность 2,59 г/см3) имеют большое значение для космической техники. Например, при изготовлении топливных баков для жидкого водорода. Наиболее выдающимся свойством алюминиевого сплава 2090 в состоянии Т81 является то, что предел текучести и временное сопротивление и относительное удлинение, а также вязкость разрушения с понижением температуры увеличиваются, причем независимо от продольной или поперечной ориентации образца для испытаний. Это свойство характерно и для некоторых других алюминиевых сплавов, например, 2219-Т87, но у сплава 2090-Т81 повышение механических свойств особенно велико.

Алюминиевый сплав 2219

Этот алюминиевый сплав имеет несколько более низкую прочность, чем сплав 2014-Т6, но более высокую вязкость при комнатной температуре и при отрицательных температурах. Из листов сплава 2219-Т87 изготавливали баки для жидкого кислорода и жидкого водорода, которые применялись на космических «Шатлах».

Рисунок 3 –  Yield and tensile strengths at subzero temperatures for 2219 and 5083 aluminum alloys [2]

Алюминиевый сплав 3003

Алюминиевый сплав 3003 применяют для изготовления паяных теплообменников и другого оборудования для заводов по производству сжиженного газа. Из него производят трубы (в том числе, оребренные), листы и плиты. Легко соединяется пайкой или сваркой. Предел прочности сплава 3003 в состояниях О и Н18 при комнатной температуре составляет 110 и 200 МПа, а при температуре –195 °С – 230 и 280 МПа. Легкость обработки, высокая пластичность и вязкость, как при комнатной температуре, так и при отрицательных температурах, являются самыми важными свойствами этих сплавов.

Алюминиевый сплав 5083

Этот сплав является термически не упрочняемым. Максимальная вязкость достигается в отожженном состоянии. Хорошо сваривается, причем прочность сварного шва почти равна прочности основного металла. Широко применяется при изготовлении цистерн для транспортировки сжиженного газа. На рисунке 4 представлена зависимость модуля Юнга сплава 5083 притемпературах от комнатной до криогенных.


Рисунок 4 – Young’s modulus for aluminurn alloy 5083 [2]

Алюминиевый сплав 5456

Еще один нетермоупрочняемый алюминиевый сплав, который хорошо сваривается, а также имеет высокую пластичность и вязкость при криогенных температурах. Является альтернативой сплаву 5083.

Алюминиевый сплав 6061

Алюминиевый сплав 6061 обычно применяют в состоянии Т6. Он является свариваемым и может, в принципе, подвергаться термической обработке после сварки. Однако этого делать не рекомендуется, потому что это значительно снижает пластичность сварного шва. Одним из выдающихся примеров применения этого сплава являются сварные корпуса для насосов и двигателей, которые используют при перекачке сжиженного природного газа на распределительных газовых терминалах. Из сплава 6061 делают все возможные виды алюминиевого «проката»: прутки, трубы, профили, листы, плиты. Сплав 6061 в состоянии Т6 имеет более высокую прочность и более низкую пластичность, чем в состоянии Т4. Например, для листа из сплава 6061 при температуре –196°С при продольном образце предел прочности при растяжении для состояния Т6 составляет 450 МПа и относительное удлинение 10 %, а для состояния Т4 – соответственно 375 МПа и 19 %. Прочность сварных швов, которые были термически обработаны на состояние Т6, имеют более низкую прочность, чем основной металл.

Алюминиевый сплав 7005

Алюминиевый лист из сплава 7005 в состояниях Т6351 и Т5351 имеет более высокую прочность, чем лист из сплава 6061-Т6, но более высокую пластичность при одинаковых, в том числе, криогенных, температурах. Прочность сварного шва листа из сплава 7005-Т6351 без дополнительной термической обработки выше, чем прочность сварного шва листа из сплава 6061 с дополнительной термической обработкой на состояние Т6.

Алюминиевый сплав 7039

Этот сплав хорошо сваривается аргоновой дуговой сваркой. Сплав 7039 в состоянии Т6, в том числе по сварным швам, сохраняет хорошую пластичность и вязкость при криогенных температурах. Рекомендуется для криогенных сосудов под давлением.

Источник:
1. TALAT 1501
2. Selection and Application of Aluminium Alloys //Aluminum and Aluminium Alloys, AMS International, 1993.