Прочность алюминия при криогенных температурах
Конструкционный материал для низких температур
Алюминиевые сплавы являются очень важным классом конструкционных металлов для применения при отрицательных и даже криогенных температурах. Их применяют в деталях для работы при таких низких температурах как –270 °С. При отрицательных температурах большинство алюминиевых сплавов проявляют лишь незначительные изменения своих прочностных свойств.
Предел прочности при растяжении (временное сопротивление) и предел текучести алюминиевых сплавов со снижением температуры могут лишь незначительно уменьшаться, а ударная прочность остается приблизительно постоянной. Поэтому алюминий является полезным материалом для многих низкотемпературных применений [1, 2, 3].
Алюминий или нежавеющая сталь?
Основным сдерживающим фактором широкого применения алюминиевых сплавов в криогенной технике является их довольно низкое относительное удлинение по сравнению с некоторыми аустенитно-ферритными сталями. Поэтому в критических применениях с повышенными требованиями к безопасности, применяют все-таки эти нержавеющие стали.
Хорошим примером применения алюминиевых сплавов при низких температурах является изготовление сосудов давления, которые работают в интервале температур от -195 до 65 °С. Здесь применяют алюминиевые сплавы 5083 и 5456. У этих сплавов в интервале температуры от комнатной до –195 °С предел прочности при растяжении возрастает на 30-40 %, предел текучести – на 5-10 % и относительное удлинение – на 60-100 %.
Прочность при низких температурах
Алюминий и его сплавы, в отличие от сталей, не имеют порога хладноломкости. Напротив, их прочность со снижением температуры возрастает. Длительная выдержка при низких температурах не оказывает влияния на уровень прочностных свойств стабильных термически упрочненных алюминиевых сплавов как непосредственно при этих низких температурах, так и при возвращении к комнатной температуре.
Свежезакаленные термически упрочняемые сплавы могут поддерживаться в этом состоянии в течение длительного времени, если их хранить при низкой температуре для задержки процесса старения. Самолетные заклепки из сплавов AlCuMgSi (дюралюминов) подвергают нагреву под закалку при 495 °С в течение от 5 до 60 минут в зависимости размеров и количества заклепок, после чего они закаливаются в холодной воде. При комнатной температуре заклепки остаются пластичными в течение двух часов, при –5 °С это состояние сохраняется 45 часов, а при –15 °С – 150 часов!
Примеры прочностных характеристики алюминия и алюминиевых сплавов при снижении температуры показаны на рис. 1-3.
Рисунок 1 – Mechanical properties of different degree of purity aluminium at various temperatures:
(1) Purity 99,5%; (2) Purity 99,99%; (3) Purity 99,997% [3]
Рисунок 2 – Tensile Properties of 6061 Alloy Heat Treated, Artifically Aged [1]
Рисунок 3 – cryogenic properties of alloys 2090 and 2219 [1]
Относительное удлинение
Относительное удлинение большинства алюминиевых сплавов также возрастает со снижением температуры вплоть до –196 °С. У некоторых сплавов Аl-Mg при содержании магния более 4,5 % со снижением температуры относительное удлинение сначала увеличивается, а затем снова снижается, но все равно остается выше, чем при комнатной температуре.
Деформированными алюминиевыми сплавами, которые чаще всего применяют для работы при низких температурах, являются сплавы 1100, 2014, 2024, 2090, 2219, 3003, 5083, 5456, 6061, 7005, 7039 и 7075 [1].
Источники:
1. Aluminum and Aluminium Alloys, AMS International, 1993.
2. TALAT 1501.
3. Properties of Pure Aluminum /A. Sverdlin // Handbook of Aluminum – Volume 1. Physical Metallurgy and Processes – Eds. G.E. Totten and D. S. MacKenzie – 2003
