Глава 27

СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ СПЛАВОВ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

1. Алюминий и его сплавы

Способность алюминия и его сплавов сохранять пластичность вплоть до криогенных температур послужила основой для их широкого использования при изготовлении низкотемпературного оборудования. Применимость алюминиевых сплавов для работы в условиях низких температур обусловлена кристаллической струк­турой алюминия. Он кристаллизуется в решетке гранецентриро- ванного куба и не имеет полиморфных превращений.

В холодильной и криогенной технике применяют как техни­ческий алюминий, так и его сплавы. Технический алюминий ши­роко используют для изготовления малонагруженных элементов конструкций. В общем объеме потребление его достаточно велико. Из алюминия изготавливают такие детали, как насадки регенера­торов, паяные теплообменники аппаратов воздухоразделительных установок и др. Алюминиевые сплавы применяют для изготовле­ния емкостей и трубопроводов для хранения и транспортировки жидких газов: природного газа, кислорода, азота, водорода и гелия, а также в качестве материала для ректификационных колонн и трубных систем. При температурах ниже 120 К объем потребле­ния алюминиевых сплавов, главным образом в виде горячеката­ного листа, составляет около 30 % от объема всего используемого металла.

Высокий коэффициент теплопроводности алюминиевых спла­вов часто заставляет отказываться от применения их в деталях, которые определяют притоки теплоты к охлаждаемым элементам. Например, горловины криостатов выполняют из аустенигных сталей или полимерных материалов, хотя сам внутренний сосуд изготовляется из алюминиевого сплава.

Алюминиевые сплавы имеют более высокий температурный коэффициент линейного расширения, чем аустенитные стали. Это определяет более высокий уровень термических напряжений, осо­бенно в жесткозащемленных элементах конструкций при их ох­лаждении. Поэтому в трубопроводах для перекачки сжиженных газов в случае отсутствия возможности применения компенсато­ров деформации предпочтительно использовать сплавы на основе железа.

В технике низких температур применяют деформируемые и литейные алюминиевые сплавы.

Временное сопротивление деформируемых термообработанных алюминиевых сплавов может достигать 500 МПа и более при плотности менее 2,85 г/см³. Удельная прочность ст_в/у алюминие­вых сплавов имеет высокие значения и приближается к удельной прочности высокопрочных сталей.

Прочность при растяжении деформируемых алюминиевых сплавов с понижением температуры от 293 до 77 К увеличивается на 35-60 %, а предел текучести - на 15-25 %. Пластичность при снижении температуры обычно даже несколько возрастает или остается на уровне пластичности при комнатной температуре.

Алюминиевые сплавы не имеют порога хладноломкости: вяз­кость при ударном изгибе у них равномерно понижается с падени­ем температуры; по сравнению с аустенитными сталями значения ее существенно ниже. При низких температурах алюминиевые сплавы имеют вязкий излом при относительно малой ударной вяз­кости.

Усталостная прочность, определенная как на гладких, так и на надрезанных образцах, с понижением температуры также уве­личивается. Вязкость разрушения алюминиевых сплавов в усло­виях плоской деформации почти не уменьшается, а иногда даже увеличивается при криогенных температурах по сравнению с вяз­костью разрушения при комнатной температуре. Величина вязко­сти разрушения зависит от чистоты металла.

Наибольшее применение в технике низких температур нашли сплавы алюминия с магнием - магналии - благодаря удачному сочетанию в них прочности, пластичности, свариваемости, корро­зионной стойкости. Увеличение содержания магния ведет к росту прочности сплава. Применяемые термически неупрочняемые спла­вы содержат не более 7 % Mg.

Из магналиев как за рубежом, так и в России предпочтение в машиностроении отдается сплаву АМг5: по свариваемости он пре­восходит сплав АМг2, хотя несколько уступает ему по пластично­сти.

В холодильной и криогенной технике также используют тер­моупрочняемые алюминиевые сплавы, легированные медью, маг­нием, марганцем и другими элементами. Оптимальные меха­нические свойства эти сплавы приобретают после термической обработки, состоящей из закалки в воде от температуры около 500 °С и последующего естественного или искусственного старе­ния за счет дисперсионного выделения при старении интерме­талл идных фаз.

Таблица 27.1

Механические свойства при криогенных температурах деформируе­мых термоупрочняемых алюминиевых сплавов после закалки и ста­рения

Марка сплава	тт, К	ст., МПа	стг, МПа	6, %
Д16	293	470	300	19
	77	560	380	27
	20	660	450	16
Д 20	293	400	280	15
	77	510	380	15
	20	660	420	16
1201 (Д20-1)	293	440	350	18
	77	550	400	10
	20	650	450	12
АК6	293	410	300	15
	77	500	380	18
АК8	293	450	310	13
	77	530	410	13
	20	550	360	18
1915	293	340	200	15
	203	370	240	16
	77	470	290	24

Механические свойства при низких температурах некоторых деформируемых термоупрочняемых алюминиевых сплавов при­ведены в табл. 27.1.

Прочность термоупрочняемых алюминиевых сплавов прибли­жается к прочности аустенитных сталей, и поэтому во многих случаях они могли бы их заменить. Их недостатком является склонность к коррозии под напряжением. Кроме того, эти сплавы разупрочняются в зоне сварного шва.

Наряду с деформируемыми в технике низких температур при­меняют литейные алюминиевые сплавы. Их используют главным образом для изготовления деталей сложной конфигурации типа корпусов арматуры. Наибольшее распространение получили спла­вы, легированные 8-13 % Si, - силумины, обладающие высокими литейными свойствами.

Сварка изделий из алюминиевых сплавов имеет ряд особенно­стей, определяемых свойствами алюминия. Высокая теплопро­водность и теплоемкость алюминия обусловливают необходимость обеспечения достаточно интенсивного и концентрированного на­грева при сварке и выбора соответствующих источников нагрева. При проведении сварки плавлением дуга должна быть надежно защищена инертным газом.