Alumiiniumsulamid on üks väheseid struktuurseid metalle, mis muutuvad temperatuuri langedes absoluutse nulli suunas pigem tugevamaks kui rabedamaks. See käitumine muudab need vaikevalikuks veeldatud maagaasi mahutite, õhueralduskolonnide, ülijuhtivate magnetstruktuuride ja krüogeensete katseseadmete jaoks, kus teras vajab löögitesti -klassi ja hoolikat ülemineku{2}}temperatuuri kontrolli. Põhjus peitub kristallstruktuuris ja dislokatsioonide liikumises, kui soojusenergia peaaegu puudub.
Miks on näo-keskne kuubistruktuur madalal temperatuuril oluline?
Alumiiniumil on kaheteistkümne libisemissüsteemiga esi-keskne kuupvõre ja sellel ei ole sellist plastilist-to-haprat üleminekut, nagu kere-keskse kuupterase puhul. Temperatuuri alandamine suurendab pinget, mis on vajalik nihestuste liigutamiseks, jättes samal ajal saadaolevate libisemissüsteemide arvu muutumatuks, mistõttu materjal kõveneb, kaotamata võimet plastiliselt deformeeruda. Seetõttu saab alumiiniumkomponenti karastada vedelas lämmastikus või vedelas heeliumis ilma järsu ferriitterase sitkuse kadumiseta.
Alumiiniumi kõrge soojusjuhtivus toimib samas suunas: see jaotab soojust ühtlaselt läbi komponendi, piirates kohalikke soojusgradiente, mis muidu tekitaksid anuma seinas või tugipostis suuri sekundaarseid pingeid.
Mehaaniliste omaduste suundumused Alla -150 kraadi
Enamik alumiiniumisulameid omandab tõmbe- ja voolavuspiiri, kui temperatuur langeb alla -150 kraadi, samal ajal kui pikenemine kas suureneb või jääb praktiliselt stabiilseks, kuna dislokatsiooni liikumine on alla surutud ja deformatsioon levib läbi võre, mitte ei lokaliseeri.
Tõmbetugevus tõuseb järk-järgult vedela heeliumi temperatuurini, kusjuures suurim suhteline tõus on perekondades 5xxx ja 1xxx.
Pikendus säilib või paraneb; sulam 5083 säilitab näiteks -269 kraadi juures rohkem kui 20% pikenemise.
Sälgu tundlikkus langeb, nii et sälkudega tõmbekatsekehadel on siledate proovidega võrreldes väiksem kahju kui toatemperatuuril.
Väsimuspragude kasv võib tugeva termilise tsükli korral kiireneda, seetõttu on tsükliliselt koormatud krüogeensete komponentide puhul vajalik termilise väsimuse hindamine.
Murdekindlus jääb kõrgeks, mis on omadus, mis kvalifitseerub sulamite perekonna isoleerimisteenuse jaoks.
Metallurgilised muutused krüogeensel temperatuuril
Huvitavad muutused on pigem termodünaamilised kui struktuursed. Legeerivate elementide, nagu magneesium, lahustuvus langeb järsult, kui temperatuur langeb, nii et mis tahes lahustunud aine ületab oma tasakaalupiiri. Difusioon on aga tõhusalt külmunud, nii et sademete kõvenemine ei saa toimuda ja üle{2}}vananemine ei toimu hoolduse ajal. Praktilised mõjud on järgmised:
Lahustunud aatomid kinnitavad jätkuvalt dislokatsioone, mis on üks põhjusi, miks voolavuspiir tõuseb.
Difusiooni{0}}kontrollitud protsessid, sealhulgas sadestumine ja taastumine, on peaaegu täielikult maha surutud.
Vastupidiselt keha-kesksetele kuupmetallidele ei toimu plastilist-hapraks muutumist{1}}.
Projekteerimisel tuleb arvesse võtta termilist kokkutõmbumist, sest alumiiniumi kokkutõmbumine erineb terase või komposiidi kokkutõmbumisest, mille külge see sageli poltidega kinnitatakse.
Need omadused võimaldavad alumiiniumi kasutada ülijuhtivate magnetsüsteemide konstruktsioonikomponentides, kus vedela heeliumi temperatuuril on vaja mittemagnetilist, mõõtmetelt stabiilset ja soojust juhtivat materjali.
Sulamite valik krüogeense teeninduse jaoks
| seeria | Krüogeenne käitumine | Tüüpiline kasutus |
|---|---|---|
| 5xxx (Al-Mg) | Erakordne sitkus ja elastsuse säilitamine; 5083 hoiab -269 kraadi juures rohkem kui 20% pikenemist | LNG mahutid, krüogeensed anumad, keeviskonstruktsioonid |
| 6xxx (Al-Mg-Si) | Hea keevitatavus ja mõõdukas tugevus; omadused stabiilsed pärast karastatud | Krüogeensed anuma komponendid ja toed |
| 1xxx (kõrge puhtusastmega) | Väga kõrge juhtivusega madala magnetreaktsiooniga | Ülijuhtivad magneti komponendid ja krüostaadi osad |
| 3xxx (Al-Mn) | Hea vormitavus ja mõõdukas krüogeenne tugevus | Soojusvaheti ja kanalisatsiooni rakendused |
5xxx-seeria jääb keevitatud krüogeense isolatsiooni tööhobuseks, kuna see ühendab krüogeense tugevuse mitte-kuumtöödeldud-karakteristikuga, mida keevitussoojus ei mõjuta. Seejärel täpsustatakse sulami valik vastavalt komponendi spetsiifilistele termilise kokkutõmbumise ja tugevuse nõuetele.
Krüogeense teenuse keevitamise ja valmistamise reeglid
Keevitamine on see koht, kus krüogeenne projekteerimine kõige sagedamini ebaõnnestub, nii et valmistamist kontrollivad pigem kvalifitseeritud protseduurid kui operaatori otsused.
Täitemetalli valik peab vältima tahkestumise pragusid; 5xxx mitteväärismetallile on tüüpilised sobivad või veidi kõrgemad{0}}magneesiumi täiteained.
Poorsusriski kontrollitakse puhtuse, kuiva kaitsegaasi ja niiskusevabade -tarvikute abil, kuna vesiniku kogumine on keevisõmbluse poorsuse peamine allikas.
Sobimatu soojuspaisumine keevisõmbluse ja külgneva konstruktsiooni vahel kutsub esile jääkpinge, mida juhitakse liitekujunduse, tasakaalustatud keevitusjärjestuse ja vajaduse korral eelpinge{0}} abil.
Keevisõmbluse järel-kuumtöötlust 5xxx töö puhul tavaliselt välditakse, kuna see pakub vähe kasu ja võib vähendada omadusi; kuumtöödeldavate sulamite- puhul kontrollitakse seda nii, et temperament ei häviks.
Protseduuri kvalifikatsioon järgib sobivat keevitusstandardit, nagu ISO 15614-2 või ASME IX jaotis, samas kui alusplaat ise tarnitakse standardile ASTM B209 või GB/T 3880.
Löögi ja sitkuse kontrollimine toimub töötemperatuuril, mitte toatemperatuuril.
Korduma kippuvad küsimused
K: Miks alumiiniumsulamid ei muutu krüogeensel temperatuuril rabedaks?
Nende esikülje-keskne kuupvõre hoiab temperatuuri langedes aktiivsena kaksteist libisemissüsteemi, nii et metall kõvastub ilma, et kere-kesksete kuupteraste puhul tekiks plastiline -to-haprad üleminekud.
K: Millist alumiiniumisulamit kasutatakse veeldatud maagaasi isoleerimiseks kõige laialdasemalt?
Alloy 5083 on võrdlusmaterjal: see säilitab rohkem kui 20% venivuse -269 kraadi juures, keevitub ilma kuumtöödeldava karastuse probleemita ja säilitab töötemperatuuril kõrge purunemiskindluse.
K: Kas tugevus suureneb, kui alumiinium jahutatakse alla -150 kraadi?
Jah. Tõmbe- ja voolavustugevus tõusevad järk-järgult temperatuuri langedes, mis on tingitud suurenenud vastupidavusest nihestusliikumisele, ning elastsus säilib või paraneb tavaliselt samal ajal.
K. Kas alumiiniumi saab keevitada krüogeensete anumate jaoks ilma järel{0}}keevis kuumtöötluseta?
5xxx sulamite puhul ei ole keevisõmbluse järel{1}}kuumtöötlus üldiselt vajalik ja seda välditakse, kuid keevitusprotseduur peab siiski vastama tunnustatud standardile, et kontrollida poorsust, pragusid ja jääkpinget.
K: Mis on krüogeensete alumiiniumkonstruktsioonide peamine projekteerimisrisk?
Termilise kokkutõmbumise ebakõla külgneva teras- või komposiitkonstruktsiooniga, mis tekitab jääk- ja sekundaarseid pingeid koos väsimuspragude kasvuga korduva termilise tsükli korral.
K: Miks kasutatakse ülijuhtivates süsteemides kõrge-puhtusastmega 1xxx alumiiniumi?
See ühendab kõrge soojusjuhtivuse madala magnetreaktsiooniga ja jääb vedela heeliumi temperatuuril plastiliseks, mis sobib krüostaadi ja magneti konstruktsioonikomponentidega.
