Работа материалов в условиях низких температур

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 –60ºС, корпуса самолетов и космических аппаратов могут охлаждаться до температуры жидкого кислорода (–183ºС). Детали и отдельные узлы холодильной и криогенной техники, которые используются для получения, хранения, транспортировки сжиженных газов, охлаждаются до температуры жидкого гелия (–269ºС).

При низких температурах у металлов наблюдаются: 1) потеря пластичности; 2) потеря вязкости; 3) повышенная склонность к хрупкому разрушению.

Основное требование к материалам, работающим в условиях низких температур, — это отсутствие хладноломкости.

Для надёжной 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 решёткой, а также титан и его сплавы, обладающие ГПУ решёткой, не имеют явно выраженного порога хладноломкости, и ударная вязкость у них уменьшается плавно.

Кроме критериев хладостойкости основанием для выбора материала служат прочностные характеристики (σ _0,2 и σ _в), физические и технологические свойства.

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

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 решётками, 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 охрупчиваются до –196ºC. Нержавеющие стали аустенитного класса пластичны и вязки до температур –253ºC.

Рабата материалов в условиях радиационного облучения

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 ещё недостаточно.

Радиационное воздействие сильнее сказывается на металлах с ГЦК решёткой, чем на металлы с ОЦК и ГПУ решётками.

Из всех частиц наибольшее влияние на свойства конструкционных материалов оказывают нейтроны, способные из-за отсутствия заряда проникать далеко в глубь кристаллической решётки 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 решётки 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 решётки 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 решётки перемещается в междоузлие. За счёт такого перемещения атома из узла решётки в междоузлие и наличия вакансии образуется «пара Френкеля».

Возникающие дефекты строения приводят к изменению следующих структурно чувствительных свойств сплавов: снижаются пластичность, вязкость, повышается удельное электросопротивление и прочность, а главным образом сопротивление малой пластической деформации (σ _0,2).

Наиболее опасное явление, наблюдаемое при радиационном облучении, — это охрупчивание материалов. Данное явление наиболее сильно проявляется у металлов с ОЦК решёткой; так, например, критическая температура хрупкости молибдена после нейтронного облучения повышается от –30 до +70ºC.

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