4. Свойства и применение сплавов титана при низких температурах

Титановые сплавы относятся к числу наиболее перспективных материалов для техники низких температур. Титановые сплавы определенных марок обладают удовлетворительной пластичностью и вязкостью вплоть до 4 К. Благодаря низкой плотности в сочетании с высокой прочностью и достаточной пластичностью применения титановых сплавов при низких температурах позволяет уменьшить массу конструкций в сравнении с коррозионностойкими сталями на 20 - 25 и алюминиевыми сплавами на 40 - 45 %. Поэтому титановые сплавы все чаще применяют для изготовления деталей и узлов, работающих при низких температурах в летательных аппаратах.

При проектировании изделий из титановых сплавов необходимо учитывать, что титан имеет низкое значение модуля нормальной упругости, почти в два раза меньшее, чем у железа и никеля. Для создания достаточно жестких конструкций из титана приходится увеличивать толщину деталей, что приводит к увеличению массы.

Химическая активность титана требует определенной осторожности при использовании титановых сплавов в конструкциях, где рабочей средой является газообразный или жидкий кислород. Для технического титана горение проволоки диаметром 0,5 мм происходит уже при давлении 0,1 МПа, с увеличением давления кислорода скорость горения возрастает. В этом титановые сплавы уступают медным сплавам и хромоникелевым сталям, для которых возможно значительно более высокое минимальное давление кислорода.

Сплавы со структурой α-фазы типа ВТ5-1, АТ2, легированные A1, Sn, Zr, хорошо свариваются, сохраняют высокую пластичность при низких температурах и поэтому являются наиболее перспективными конструкционными материалами для использования в холодильной и криогенной технике. Сплавы с двухфазной α + β-структурой типа ВТЗ-1 имеют более высокую прочность, но несколько меньшую пластичность и их реже используют при криогенных температурах.

Механические свойства сплавов титана при низких температурах для отожженных прутков сечением 12 - 20 мм приведены в табл. 28.

Вязкость разрушения титановых сплавов при понижении температуры уменьшается. Так, для сплава типа ВТ5-1 при переходе от испытания при 293 К к испытанию в жидком водороде значение коэффициента интенсивности напряжений падает вдвое: с 124 до 62 МПа ∙м¹/². Аналогично и поведение сплава ВТЗ-1, хотя для него значение величины К_Ic значительно меньше (ВТЗ-1 более прочный сплав) 52 МПа ∙м¹/² при 293 К и 34 МПа ∙м¹/².

5. Свойства и применение сплавов меди при низких температурах

Медь и ее сплавы являются материалами, одними из первых нашедшими применение в холодильном и криогенном оборудовании. Медь не имеет порога хладноломкости и нижний температурный предел ее использования близок к абсолютному нулю. Однако, из-за высокой стоимости и дефицитности меди применение медных сплавов в технике низких температур в последнее время сокращается.

Технически чистую медь используют в установках разделения газов методом глубокого охлаждения для изготовления различных трубчатых конструкций: витых и прямотрубных теплообменников, трубчатых конденсаторов и др. Листовую медь используют для изготовления внутренних емкостей и экранов сосудов Дюара, в которых хранятся и транспортируются жидкие газы, для изготовления обечаек ректификационных колонн жидкого воздуха. Широкое применение находят сплавы меди - латуни и бронзы. Их применяют в корпусах холодильной и криогенной арматуры, для изготовления отливок, пружин и других разнообразных деталей.

Медь кристаллизуется в решетке ГЦК и не имеет полиморфных превращений. Тип кристаллической решетки обусловил применимость меди и ее сплавов при низких температурах.

Медь и ее сплавы имеют высокое значение температурного коэффициента линейного расширения. С понижением температуры до 120 К этот коэффициент уменьшается, но это уменьшение значительно меньше, чем у коррозионностойких сталей и алюминиевых сплавов.

Технически чистая медь имеет невысокие прочностные свойства. При снижении температуры от 293 до 20 К, прочность и твердость меди повышаются почти в два раза. Пластичность сохраняется на том же уровне. Ударная вязкость даже увеличивается, сохраняя при 20 К столь высокие значения, что надрезанные образцы не разбиваются копром, а протягиваются между его опорами. Усталостная прочность меди и ее сплавов с понижением температуры растет также, как модуль упругости и модуль сдвига.

Широкое применение в холодильном и криогенном машиностроении находят латуни марок Л63, Л68, ЛЖМц59-1-1, ЛЦ59, ЛК80-ЗЛ и бронзы марок БрАЖМц10-3-1,5; БрКМц3-1, БрБ2.

Механические свойства меди и ее сплавов приведены в табл. 29.

Латунь Л68 применяют для изготовления различных трубопроводов, сеток, прокладок, работающих при температурах 520 — 20 К.

Латунь марки ЛС59-1 применяется для изготовления различных крепежных изделий, работающих в интервале температур 520 - 20 К. Для более ответственных крепежных деталей, работающих в этом же температурном диапазоне, применяют латунь марки ЛЖМц59-1-1.

Из литейной латуни ЛК80-3 изготавливается арматура, корпуса трубопроводов и другие литые детали, работающие при температурах 520 - 20 К.

Бронза марки БрА5КМц10-3-1,5 применяется для изготовления втулок, шестерен, вентилей, деталей клапанной арматуры, работающих при температурах 520 - 77 К.

Наибольшую прочность имеют меднобериллевые сплавы, временное сопротивление которых в термообработанном состоянии более 1000 МПа при удовлетворительной вязкости и пластичности при низких температурах. Поэтому бронза БрБ2, сочетающая высокую прочность с высокой релаксационной стойкостью, нашла применение для изготовления пружинящих элементов криогенной арматуры; они хорошо работают вплоть до 4 К. Основной недостаток бериллиевых бронз состоит в их высокой стоимости. Легирование добавками никеля и титана позволяет несколько уменьшить содержание бериллия (БрБНТ1,7) без существенного снижения механических свойств.