Низкие температуры. 
Материаловедение и технология материалов

Воздействию низких температур подвергаются очень многие материалы и изделия, например трубы для газои 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 кипения жидкого кислорода (-183°С). Детали и отдельные узлы холодильной и криогенной техники, которые используются для получения, хранения, транспортировки сжиженных газов, охлаждаются до температуры кипения 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, а это увеличивает о₀, 2 (вплоть до температуры -196°С), затем рост его замедляется и при температуре, близкой к абсолютному нулю, становится температурно независимым (рис. 7.4).

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, если количество примесей внедрения невелико (сотые доли), могут способствовать переходу Me в хрупкое состояние, а в металлах с ГЦК-рсшеткой количество примесей даже около 1% мало влияет на пластичность. Этим в основном и объясняется, что при низких температурах могут работать металлы с ГЦК-решеткой.

Металлы с ГПУ-решеткой находятся в промежуточном положении между металлами с О ЦКи ГЦК-решетками, но склонности к хрупкому разрушению.

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.

Рис. 7.4. Зависимость предела текучести от температуры.

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

Кроме критериев хладостойкости основанием для выбора материала служат прочностные характеристики (ст_в и аод), физические и технологические свойства.

Важным критерием хладостойкости является вязкость разрушения в условиях плоской деформации Кj_c. Однако достаточно сложная методика оценки Кj_c 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 захолаживания материала зависит от теплоемкости и теплопроводности металла, а при низких температурах, близких к температуре кипения жидкого азота (-196Х), эти характеристики уменьшаются более чем в 10 раз. Скорость захолаживания 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.

Следует учитывать такие технологические характеристики, как свариваемость и пластичность. Сварка широко используется в производстве криогенной аппаратуры. Пластичность очень важна при использовании тонких листов для изготовления элементов деталей, работающих 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 охру11чиваются до температуры -196°С. Нержавеющие стали аустенитного класса пластичны и вязки до температуры -253°С.