Низкие температуры

Воздействию низких температур подвергаются очень многие материалы и изделия, например трубы для газо- и нефтепродуктов, мосты, железные дороги, автомобили, летательные аппараты и т. д. В северных районах охла­ждение материалов может достигать -60 °С, корпуса самолетов и космических аппаратов могут охлаждаться до температуры жидкого кислорода (-183 °С). Де­тали и отдельные узлы холодильной и криогенной техники, которые исполь­зуются для получения, хранения, транспортировки сжиженных газов, охлаж­даются до температуры жидкого гелия (-269 °С). При низких температурах у металлов наблюдаются потеря пластичности и вязкости и повышенная склонность к хрупкому разрушению. Основное требование к материалам, работающим в условиях низких температур, — это отсутствие хладноломкости.

Необходимо учитывать, что при низких температурах межатомные рас­стояния уменьшаются, что увеличивает ст_{0 2} (вплоть до температуры 77 К), затем рост его замедляется и при температуре, близкой к абсолютному нулю, становится температурно независимым (рис. 6.5). Металлы с ОЦК решеткой, содержащие малые концентрации примесей, имеют слабую температурную зависимость предела текучести, но при этом наблюдаются рост предела прочности и сохранение высокого уровня пластичности. Металлы с ОЦК решеткой, когда примеси внедрения в малых количествах (в сотых долях) могут вызвать переход в хрупкое состояние, а металлы с ЩК решеткой — коли-

о„,2,МПа

	^Хта
		Nb	Ji
	>Fe\	*vV
	■NS ^
	аР"~

чество примесей даже около 1% ма­ло влияет на пластичность. Этим в основном и объясняется, что при низких температурах могут работать металлы с ГЦК решеткой.

о

0,04 0,08 0,12 T/T„

Металлы с решеткой ГПУ нахо­дятся в промежуточном положении между металлами с ОЦК и ГЦК ре­шетками по склонности к хрупкому разрушению.

Рис. 6.5. Зависимость предела текучести от температуры

Для надежной работы материа­ла необходимо, чтобы температур­ный порог хладноломкости был ни­же рабочей температуры. На склон­ность к хрупкому разрушению, как и при нормальных температурах, влияют концентраторы напряжений и масштабный фактор деталей.

Материалы с ГЦК решеткой, а также титан и его сплавы с ГПУ ре­шеткой не имеют явно выраженного порога хладноломкости и ударная вязкость у них уменьшается плавно.

Кроме критериев хладостойкое™ основанием для выбора материала служат прочностные характеристики (ст, и ст_0>2), физические и технологиче­ские свойства.

Важным критерием хладостойкое™ является вязкость разрушения в ус­ловиях плоской деформации /fa. Однако достаточно сложная методика оценки Kic при низких температурах затрудняет возможность широко поль­зоваться этим показателем при выборе материала.

Из физических свойств материалов при низких температурах инте­рес представляют теплопроводность и теплоемкость. Скорость захола-живания материала зависит от теплоемкости и теплопроводности метал­ла, а при низких температурах, близких к жидкому азоту (-196 °С) эти характеристики уменьшаются более чем в 10 раз. Скорость захолажива-ния материала при термоциклировании по-разному зависит от теплоем­кости и теплопроводности. Чем меньше теплоемкость и больше тепло­проводность, тем легче захолаживается криогенное оборудование и бы­стрее выходит на заданный режим.

Рассмотрим некоторые технологические характеристики — сваривае­мость и пластичность. Сварка широко используется в производстве криоген­ной аппаратуры. Пластичность очень важна при использовании тонких лис­тов для изготовления элементов деталей при низких температурах.

Наиболее распространенными средами в криогенной технике являются кислород и водород, поэтому необходимо учитывать совместимость с ними используемых материалов.

Основные материалы, которые используются при криогенных темпера­турах, — это углеродистые стали с ОЦК решетками, алюминий и его сплавы (АМц, АМг, АМг5 и др.), титан и его сплавы (ВТ1, ВТ5, ОТ4 и др.).

Нержавеющие стали переходного и мартенситного классов не охрупчи-ваются до -196 °С. Нержавеющие стали аустенитного класса пластичны и вязки до температур -253 °С.

6.5. Радиационное облучение

Радиационное облучение материалов в условиях космоса связано с ог­ромным радиационным полем вокруг Земли. Это и корпускулярная радиация — электроны и протоны, попавшие в магнитное поле Земли, космические лучи — частицы высоких энергий, приходящие из различных областей Вселенной, и солнечные космические лучи.

В настоящее время можно сказать, что воздействие электронного и про­тонного излучений на металлы исследовано еще недостаточно.

Радиационное воздействие сильнее сказывается на металлах с ГЦК ре­шеткой, чем на металлы с ОЦК и ГПУ решетками.

Из всех частиц наибольшее влияние на свойства конструкционных ма­териалов оказывают нейтроны, способные из-за отсутствия заряда проникать далеко в глубь кристаллической решетки металла и вызывать в ней следую­щие существенные изменения:

1) образование «пар Френкеля» вследствие упругого столкновения час­тиц с ядрами атомов металла;

2) нарушение электронной структуры (ионизационные эффекты) в ре­зультате столкновения частиц с орбитальными электронами;

3) местное повышение температуры (термический пик), связанное с уп­ругими колебаниями решетки на пути прохождения частиц;

4) образование атомов новых элементов в процессе ядерного распада, а также при захвате ядром частиц;

5) радиационная эрозия в результате отрыва атомов с поверхности под влиянием ударов высокоскоростных пылевидных частиц окружающей среды.

Соударения частиц с атомами в узлах кристаллической решетки смеща­ют и возбуждают другие атомы. Вследствие упругого соударения частицы с атомами она теряет часть своей кинетической энергии, зависящую от целого ряда факторов этого взаимодействия. Если при этом соударении атом приоб­ретает дополнительную энергию и она становится больше энергии, необхо­димой для его смещения, то атом из узла кристаллической решетки переме­щается в междоузлие. За счет такого перемещения атома из узла решетки в междоузлие и наличия вакансии образуется «пара Френкеля».

Оот(до облучения)

Ц> 2 0№ облучения)

\

0₀ 2 (после облучения)

Оц^после облучения)

Температура, °С

Рис. 6.6. Схема изменения критической температуры хрупкости при охлаждении металла:

t\ — критическая температура хрупкости необлученного металла, ti — критическая температура хрупкости металла после облучения

Возникающие дефекты строения приводят к изменению структурно-чувствительных свойств сплавов: снижаются пластичность, вязкость, повы­шается удельное электросопротивление и прочность, а главным образом со­противление малой пластической деформации (а_0>2).

Наиболее опасное явление, наблюдаемое при радиационном облучении, — это охрупчивание материалов. Данное явление наиболее сильно проявляется у металлов с ОЦК решеткой; так, например, критическая температура хруп­кости молибдена после нейтронного облучения повышается от -30 до +70 °С (рис 6.6).

Вследствие радиационного облучения у металлов и сплавов понижаются вязкость, пластичность, сопротивление отрыву, а прочность и электросопро­тивление повышаются, т. е. растет вероятность хрупких разрушений.

6.6. Глубокий вакуум

Действие глубокого вакуума способствует испарению металла. Прием­лемыми металлами для использования в вакууме являются кобальт, никель, ниобий, тантал, молибден и вольфрам. Если нарушается термодинамическое равновесие металла с газовой фазой, то и на границе возникают процессы либо конденсации из паровой фазы, либо сублимация.

Вакуум характеризуется низкой молекулярной плотностью. Некото­рые металлические конструкции работают при внешнем давлении «10"⁴ -10~¹² мм рт. ст., что и соответствует глубокому вакууму.

При 100—200 °С значения плотности окружающей среды ниже упруго­сти паров многих технических металлов, что приводит к их испарению.

Менее стойки к испарению в вакууме такие металлы, как кадмий, цинк и магний, упругость паров которых соответственно составляет 10"⁴, 10"⁶, 10~⁷ мм рт. ст. Магний может работать при таких давлениях фиксированное вре­мя, а алюминий, бериллий, железо, никель, кобальт, титан и их сплавы могут работать длительное время и при этом не испаряться.

Тугоплавкие металлы — тантал, молибден, вольфрам — заметно не ис­паряются даже при сильных нагревах. Хром при нагреве выше 1400 °С ин­тенсивно улетучивается.

На процесс сублимации металлов активно влияет поверхностная оксид­ная пленка металла. Пленка не является абсолютно плотной и содержит раз­ного рода микронесплошности. При изотермическом отжиге в вакууме ато­мы летучего компонента проникают через эти дефекты и покидают поверх­ность металла, создавая за счет этого повышенную концентрацию вакансий в зоне дефекта. При слиянии вакансий образуются микропоры на границе раз­дела металл—оксид, что приводит к отслоению и разрушению пленки, уве­личению площади дефекта. Также быстро испаряются атомы примесей, об­разуются микропоры и ускоряется процесс удаления пленки.

Одним из путей борьбы с сублимацией является создание защитных покры­тий, обладающих большей стабильностью в вакууме, чем основные металлы.

Керамические материалы, состоящие из оксидов и других соединений алюминия, бериллия, хрома, магния, кремния, титана и цинка, пригодны для длительной работы в условиях вакуума.

Вторая проблема, которая возникает при работе в глубоком вакууме, — это холодная сварка. В вакууме резко увеличивается коэффициент трения из-за отсутствия оксидных пленок и адсорбированных газов на поверхности сплава. Это затрудняет процесс скольжения в узлах трения и приводит к так называемому «схватыванию» сопрягаемых деталей. Жидкие смазки при этом использовать не представляется возможным из-за их испарения.

В качестве смазки в условиях глубокого вакуума используются метал­лические покрытия из серебра, золота, кобальта и никеля. Недостатком этих покрытий является недолговечность. Более перспективными являются твер­дые смазки с низкой упругостью пара: графит, дисульфид молибдена (MoS₂), вольфрам.

Контрольные вопросы

1. Назовите металлы, имеющие от природы хорошую жаростойкость, и объясните причину этого явления.

2. Назовите основные характеристики жаропрочности.

3. С чем связано изменение пластичности при криогенных температурах?

4. Что понимают под жаропрочностью?

5. Перечислите методы повышения жаропрочности.

6. Что такое предел ползучести?