27.2. Титан и его сплавы

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 применение титановых сплавов при низких температурах позво­ляет уменьшить массу конструкций в сравнении с коррозионно- стойкими Cr-Ni 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.

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 a-фазы типа ВТ5-1, легированные 4—

6. % А1, 2-3 % Sn, и ОТ4-1 (1,5-2,5 % А1; 0,7-2,0 % Мп), 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 (а + Р)-структурой ти­па ВТЗ-1, содержащие 5,5-7,0 % А1, 0,8-2,0 % Сг, 2-3 % Мо, 0,2-0,7 % Fe, 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. 27.2.

Вязкость разрушения титановых сплавов при понижении температуры уменьшается. Так, для сплава типа ВТ5-1 при пере­ходе от испытания при комнатной температуры к испытанию в жидком водороде значение коэффициента интенсивности напря­жений падает вдвое: со 124 до 62 МПа • м^1/2. Аналогично и поведе­ние сплава ВТЗ-1, хотя для него значение величины К_1с значи­тельно меньше (ВТЗ-1 более прочный сплав): 52 МПа • м^1/2 при 293 К и 34 МПа • м^1/2 при 20 К.

Таблица 27.2

Механические свойства титановых сплавов при криогенных температурах

^исп’ К	ств, МПа	а0,2. МПа	5, %	V|/, %	кси, Дж/см2	Структура
			ВТЗ	-1
293	1080	1010	15	38	70	(а + (З)-Сплав
77	1670	1540	6	21	30
20	1880	1640	4	20	60
			ВТ 5	-1
293	820	800	20	55	100	а-Сплав
77	1320	1310	16	27	40
20	1580	1400	15	9	40
			ОТ4	-1
293	650	630	21	54	105	Псевдо-а-сплав
77	1150	1090	25	49	23
20	1350	-	14	-	30

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 Дьюара, 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 вы­ражено значительно слабее, 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 так же, 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; БрКМцЗ-1; БрБ2.

Механические свойства меди и ее сплавов приведены в табл. 27.3.

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

Механические свойства медных сплавов при криогенных температурах

Сплав и его состояние	^ист» К	ст„, МПа	МЙа	6, %	кси, Дж/см2
Медь Ml, отожженная	293	230	50	40	320
	77	350	90	42	420
	20	410	80	64	380
Латунь Л68, отожженная при	293	400	280	50	140
550 ”С (823 К) в течение 2 ч	195	430	310	50	170
	77	540	400	51	140
Латунь ЛЖМц59-1-1, горяче­	293	460	200	34	120
катаное состояние	77	600	280	37	100
	20	710	320	38	100
Латунь ЛК80-3, отожженная	293	390	130	37	100
при 500 °С (773 К) в течение 5 ч	77	430	210	23	60
Бронза БрАЖМц10-3-1,5, ко­	293	830	360	18	50
ваный пруток 12 х 12 мм после закалки от 850 “С (1123 К) в во­де и отпуска при 350 °С (623 К)	77	940	430	15	40
Бронза БрБ2 после закалки от	293	1400	1260	9	20
760 °С (1033 К) в воде и старе­	77	1600	1470	10	30
ния при 320 °С (593 К)	20	1720	1440	9	30

Латунь марки ЛС59-1 применяется для изготовления раз­личных крепежных изделий, работающих в интервале темпе­ратур 520-20 К. Для более ответственных крепежных деталей 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 БрАЖМц10-3-1,5 применяется для изготовле­ния втулок, шестерен, вентилей, деталей клапанной арматуры, эксплуатируемых при температурах 520-77 К.

Наибольшую прочность имеют меднобериллиевые 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.

4. ОСНОВЫ ВЫБОРА КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ РАБОТЫ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Плохое качество конструкций и изделий часто является след­ствием неправильного выбора материала для заданных условий их эксплуатации. Особенности, характерные для низкотемпера­турной работы оборудования, предъявляют ряд специфических требований к материалам. Выбор конструкционных материалов производится на основе их механических, физико-химических и технологических свойств. При выборе материалов необходима ин­формация об их стоимости и дефицитности.

Механические свойства. Высокопрочные и некоторые средне­прочные материалы характеризуются низкими значениями вяз­кости разрушения. Для таких материалов расчет допустимых на­пряжений должен производиться на основе механики разрушения с учетом максимальных размеров дефектов. Вязкость большинст­ва материалов, работающих при низких температурах, достаточно высока, что затрудняет при расчете использование методов меха­ники разрушения.

Расчет конструкций на прочность производится по допускае­мым напряжениям [сг], определяемым из условий прочности при статическом или долговечности при циклическом нагружении. При статическом нагружении допускаемое напряжение получает­ся делением предельных для каждого данного материала напря­жений на коэффициент безопасности, называемый коэффициен­том запаса прочности. Для пластичных материалов за предельное напряжение принимают предел текучести, для сравнительно хрупких - временное сопротивление: [а] = aJn_T или [с] = oJn_B.

Значение коэффициента запаса прочности зависит от многих факторов: разброса характеристик прочности, присутствия в ма­териале дефектов, допускаемых техническими условиями, степени схематизации расчетной процедуры и т. д. В России коэффициен­ты запаса прочности составляют по временному сопротивлению для сталей п_в = 2,4; титановых сплавов п_в = 3,0; алюминиевых сплавов п_в — 3,5. Для сталей коэффициент запаса прочности по пределу текучести п_т= 1,5.

Величины коэффициентов запаса прочности не имеют доста­точного теоретического обоснования и в значительной степени обусловлены сложившимися традициями расчета.

Повышение прочности с понижением температуры обычно со­провождается уменьшением пластичности и вязкости материала. Пластичность характеризует способность металла подвергаться остаточной деформации, а вязкость - способность поглощать ра­боту внешних сил при разрушении. Некоторые пластичные ме­

таллы, например алюминии, могут иметь малую вязкость при вы­соком относительном удлинении; наоборот, термообработанная легированная сталь при сравнительно небольшом относительном удлинении может иметь высокую вязкость. Пластичность и вяз­кость в конструкторские расчеты не входят и являются качест­венными показателями.

Пластичность характеризует способность металла к перерас­пределению напряжений в зонах их концентрации. Пластическая деформация как бы предохраняет металл от резких локальных перегрузок вблизи концентраторов напряжений. Ранее указыва­лось, что в обычном машиностроении принято считать пластич­ность удовлетворительной, если относительное удлинение метал­ла 5₅ > 15 %.

Широко принятым критерием работоспособности металлов и их сварных соединений при низких температурах является удар­ная вязкость надрезанных образцов. Принято считать, что сталь может допускаться к эксплуатации при низких температурах, если ее ударная вязкость, определенная на образцах Шарпи с над­резом радиусом 0,25 мм, составляет KCV > 30 Дж/см².

Надежность низкотемпературных конструкций, работающих в условиях многократного подъема и сброса давления, зависит от сопротивления материалов усталостному разрушению (рис. 27.1). База испытаний выбирается в зависимости от условий эксплуата­ции оборудования. Кроме того, металл холодильных криогенных установок, подвергаемых многократному захолаживанию, испы­тывается на сопротивление термической усталости.

N, циклы

При циклическом или длительном статическом нагружении выбор номинальных эксплуатационных напряжений производится с введени­ем коэффициентов запаса п_л и п_п по пределам длительной прочности и пол­зучести.

Совместимость с рабочей средой.

Использование материалов в любой кон­струкции возможно только в случае их совместимости с рабочей средой.

Коррозия, коррозионная усталость, коррозия под напряжением, водородное охрупчивание и т. д. могут вызвать

Рис. 27.1. Усталостная прочность конструкци­онных материалов:

1,2- 12Х18Н10Т; 3, 4 - 0Н9А; 5, 6 - АМгб;

1,3,5- при -196 °С; 2,4,6 - при 20 °С

повреждения в металле и привести конструкцию к хрупкому раз­рушению. Сочетание низких температур и радиоактивного облу­чения, имеющее место в условиях пузырьковых камер и физиче­ских установок, из-за изменения механических свойств материа­лов также может создать проблему совместимости.

Для криогенных конструкций особенно важную роль играет химическое воздействие низкокипящих продуктов на свойства конструкционных сталей и сплавов. Особую сложность проблема совместимости приобретает при выборе материалов для работы в контакте с жидким или газообразным кислородом и другими ре­же применяемыми окислителями на основе фтора, используемы­ми в жидкостных ракетных двигателях. Известно, что такие хи­мически активные металлы, как титан и его сплавы, магниевые сплавы, алюминиевые сплавы при ударном нагружении, могут самопроизвольно загораться при контакте с кислородом.

Основными отборочными испытаниями на совместимость с жидким кислородом являются испытания на ударное нагружение и на прокол падающим бойком находящейся под давлением диа­фрагмы. У титановых сплавов в обоих случаях возникает актив­ная реакция, алюминиевые сплавы активно реагируют с кислоро­дом только при ударном нагружении, а медные и никелевые спла­вы, а также коррозионностойкие стали не вступают в реакцию при обоих видах испытаний. Алюминиевые сплавы можно рас­сматривать как совместимые с жидким кислородом, что обуслов­ливает их довольно широкое применение в качестве материала для изготовления стационарных транспортных кислородных ре­зервуаров.

Материалы толщиной до 5 мм для изготовления оборудова­ния, работающего с газообразным кислородом, имеют следующие значения предельного давления кислорода (МПа) и скорости газо­вого потока, при которых возможно их горение при комнатной температуре:

Скорость потока, м/с

	0	до 0,5	свыше 0,5
Стали углеродистые и легированные	0,64	0,64	0,64
Чугун	3,20	0,80	0,40
Коррозионностойкие стали типа 30X13, 12Х18Н10Т	16,00	4,00	2,00
Алюминиевые сплавы АМг, АМц, АЦ1	3,20	0,64	0,40
Медь, никель и их сплавы	42,00	42,00	42,00

При контакте с жидким кислородом вероятность загорания ниже, чем в случае газообразного кислорода.

В тех криогенных установках, в которых вакуум используется в качестве изоляции, важно знать величину газовыделения ме­таллов в вакууме в процессе длительной эксплуатации. Обеспече­ние вакуума в таких конструкциях является необходимым усло­вием их нормальной работоспособности.

Физические свойства. При проектировании некоторых видов низкотемпературного оборудования критериями выбора материа­лов могут быть их физические свойства.

Важность плотности как физической характеристики материа­ла обусловлена использованием установок в таких отраслях техни­ки, как судостроение, транспортное машиностроение и особенно авиационная и ракетно-космическая техника. Для таких объек­тов одним из решающих условий применения того или иного ма­териала является минимизация массы. В этом случае критерием пригодности материалов служит их высокая удельная прочность, определяемая по отношению прочности к плотности сталей.

При эксплуатации холодильного и криогенного оборудования существенную роль играет количество теплоты, которое необхо­димо отвести при захолаживании объекта. Количество отводимой теплоты особенно важно в случае, когда оборудование подвергает­ся большому числу циклов нагрева и охлаждения.

Известно, что при высоких температурах теплоемкость метал­лов и других кристаллических тел почти не меняется и близка к постоянному значению. С понижением температуры теплоемкость начинает быстро падать. При криогенных температурах даже ма­лые количества теплоты существенно меняют температуру мате­риала.

Термическое расширение - одно из наиболее важных свойств конструкционных материалов, применяемых в криогенной тех­нике. Показателями термического расширения материалов явля­ются температурные коэффициенты объемного и линейного рас­ширения.

Температурный коэффициент расширения определяется ха­рактером межатомных взаимодействий в материале. При абсо­лютном нуле расстояние между атомами неизменно. С увеличени­ем температуры амплитуда колебаний атомов растет, расстояние между атомами увеличивается и материал расширяется, что при­водит к увеличению объема тела.

Температурная зависимость коэффициента линейного расши­рения приведена на рис. 27.2. Величина а имеет довольно высокое значение при повышенных и умеренных температурах, с пониже­нием температуры резко падает и принимает весьма низкие зна­чения уже при температурах жидкого азота. Ниже этих темпера­тур большинство металлов почти перестает сжиматься.

Некоторые типичные ошибки (рис. 27.3) при проектировании криогенных емкостей могут привести к их разрушению вследствие различий температурных коэффициентов двух деталей. В первом

Рис. 27.2. Температурная зависимость коэффи­циента линейного расширения некоторых ме­таллов:

1. - А1; 2 - Ag; 3 - Си; 4 - Fe

случае (рис. 27.3, а) два вставленных один в другой коаксиальных сосуда, со­единенных верхними кромками и име­ющих зазор для теплоизоляции, изго­товлены из одного и того же матери­ала. Внутренний сосуд, контактирующий с криогенной жидко­стью, сжимается относительно внешнего, более теплого сосуда, что приводит к развитию напряжений и может быть причиной разрушения.

Во втором случае (рис. 27.3, б) приведены коаксиальные труб­ки из различных материалов, соединенные на концах и находя­щиеся в одинаковых температурных условиях. Учитывая разли­чие температурных коэффициентов расширения материалов при охлаждении, одна из трубок окажется сжатой, а другая - растя­нутой. Повторные термические циклы могут привести либо к раз­рушению соединения, либо к выпучиванию одной из трубок.

Одинаковые

материалы

Разные материалы

Рис. 27.3. Схемы неправильной конструкции:

о - с использованием одного материала при разных температурах; б - с использо­ванием разных материалов при одной низкой температуре

Воздух

Г7\ 1 Сборные шВы I 7 \ 1

J Ч

Сопротивление прохождению электрического тока обуслов­лено рассеянием электронов при столкновении с положитель­ными ионами кристаллической решетки, примесными атомами и

несовершенствами кристаллического строения. У большинства ме­таллов при 20 К удельное электросопротивление меньше 10 ¹⁰ Ом • м и с дальнейшим понижением температуры почти не меняется. Таким образом, электросопротивление, измеренное при 20 К, яв­ляется остаточным сопротивлением. Определение остаточного электросопротивления служит простым и точным методом оценки чистоты металла от примесей и совершенства его кристалличе­ского строения. Например, для меди обычной очистки отноше­ние сопротивления при комнатной к сопротивлению при крио­генной температуре может составлять 100. При лучшей очистке меди это отношение может возрасти до 200.

Технологические свойства. Литейные свойства, обрабатывае­мость давлением и резанием, свариваемость в основном оценива­ются качественно, так как количественные методы оценки пока не совершенны или вообще отсутствуют. Несмотря на отсутствие количественных оценок, эти свойства весьма важны и могут быть решающими при выборе материала.

Важнейший фактор надежной работы оборудования - обеспе­чение прочных и плотных соединений отдельных узлов и деталей. В технике низких температур широкое распространение получили сварные и паяные соединения. Сварку применяют для изготовле­ния труб, крупных резервуаров, баков и контейнеров, предназначен­ных для получения, хранения и транспортировки криогенных жид­костей. По существу, все многообразие низкотемпературного обору­дования представляет собой те или иные сварные конструкции. Поэтому исследования свариваемости являются обязательными при решении вопроса о внедрении новых материалов в практику.

Оценка свариваемости конструкционных материалов крио­генной техники должна включать в себя анализ уровня механиче­ских свойств сварного соединения и основного металла, определе­ние склонности к образованию дефектов, прежде всего трещин в металле шва и зоне термического влияния, определения чувстви­тельности сварного соединения к концентраторам напряжений и склонности к хрупкому разрушению.

При проектировании низкотемпературной техники принима­ют во внимание не только технические, но и экономические сооб­ражения. Экономические критерии учитывают как стоимость са­мих конструкционных материалов, так и их дефицитность, сор­тамент металлопродукции, затраты на обработку деталей, сварку и контроль качества изделий. Стоимость меди непрерывно растет, что обусловливает необходимость ее замены алюминием. Из-за дефицитности никеля наблюдается тенденция в замене там, где возможно, сталей типа 12Х18Н10Т аустенитными сталями, леги­рованными никелем и марганцем или даже одним марганцем.

Рис. 27.4. Потребление металлов в криоген­ной технике:

1. гооо

   работка свариваемых сталей

   - медные сплавы; 2 - стали; 3 - алюми­ниевые сплавы

Прогресс техники низких тем­ператур и увеличение рабочих дав­лений в системе потребует в бли­жайшем будущем создания новых сплавов, более прочных в широком температурном интервале и менее дорогостоящих.

По прогнозу российских произ­водителей криогенной техники раз- заменителей стали 12Х18Н10Т долж­на ориентироваться на достижение предела текучести 500 МПа и вре­менного сопротивления более 800-1000 МПа. Разработка алюми­ниевых сплавов должна ориентироваться на временное сопротивле­ние 500 МПа в сварном соединении, в котором обычно применяемые высокопрочные алюминиевые сплавы имеют разупрочненную зону.

До 60-х годов XX в. криогенные конструкции в основном изго­товлялись из медных сплавов, прежде всего латуней. В последнее время их потребление сократилось за счет расширения использова­ния сталей и алюминиевых сплавов. Сокращение обусловлено дефи­цитностью меди, специфическим коррозионным растрескиванием латуни, а также освоением технологии производства сварных конст­рукций из аустенигных сталей и алюминиевых сплавов.

В настоящее время аустенитные коррозионностойкие стали и алюминиевые сплавы являются основными материалами для из­готовления криогенного оборудования. Из-за дефицитности нике­ля в последние годы алюминиевые сплавы начинают вытеснять коррозионностойкие стали (рис. 2Т.4). Применение титановых сплавов ограничивается их высокой стоимостью и склонностью к воспламенению в кислороде.

Таким образом, основными критериями выбора материалов являются назначение и условия работы конструкции. Важную роль играет опыт конструирования и эксплуатации изделий дан­ного профиля, уровень технологии производства и контроля, а также экономические соображения.

Использование аналогичных материалов, ранее зарекомендо­вавших себя в подобных машинах, вполне допустимо, но может привести, с одной стороны, к отказу от совершенствования конст­рукции, с другой, - к повторениям уже сделанных ошибок. Кон­структор должен ясно представлять себе причины использования данного материала, возможности его замены, технологические осо­бенности изготовления и методы контроля изделий.

Часть вторая НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Неметаллические материалы (пластмасса, резина, керамика, стекло, клей, лакокрасочные покрытия, древесина, ткань и др.) в качестве конструкционных материалов служат важным дополне­нием к металлам, в ряде случаев с успехом заменяют их, а иногда неметаллические материалы сами являются незаменимыми. Дви­гатели внутреннего сгорания из керамики обходятся без водяного охлаждения, что невозможно при изготовлении их из металла; обтекатели ракет делают только из неметаллических материалов (графита, керамики). Трудно представить домашнюю утварь, ау- дио- и видеотехнику, компьютеры, спортивное снаряжение, авто­мобили и другую технику без неметаллических материалов - пла­стмасс, ламинатов, керамики, резины, стекла и др.

Достоинством неметаллических материалов является сочета­ние требуемого уровня химических, физических и механических свойств с низкой стоимостью и высокой технологичностью при изготовлении изделий сложной конфигурации. Трудоемкость при изготовлении изделий из неметаллических материалов в 5-6 раз ниже, и они в 4-5 раз дешевле по сравнению с металлическими. В связи с этим непрерывно возрастает использование неметалли­ческих материалов в машиностроении автомобилестроении, авиа­ционной, пищевой, холодильной и криогенной технике и др.