4.2 Механические свойства материалов при криогенных температурах

Работоспособность криогенного оборудования в значительной степени определяется механическими свойствами конструкционных материалов. При криогенных температурах происходят изменения механических свойств конструкционных материалов — металлов и пластмасс: повышаются предел текучести и предел прочности, одновременно уменьшаются пластичность и ударная вязкость.

Главным количественным показателем пригодности материала для работы в условиях низких температур является величина ударной вязкости, которая зависит от химического состава, режима термообработки и других факторов. Явление охрупчивания, т. е. резкого уменьшения ударной вязкости, делает невозможным применение при низких температурах обычных углеродистых сталей.

Помимо высокой прочности при криогенных температурах, материал должен иметь достаточный запас пластичности во избежание разрушения при многократных циклах охлаждения и отогрева в сочетании с силовым нагружением. Количественным показателем пластичности является относительное удлинение (образца) материала. Этот показатель определяет технологические свойства материала и его способность перераспределять напряжения в зоне их концентраторов.

Материал должен также обладать стабильностью свойств в процессе эксплуатации, не зависящих от температуры и уровня напряжения. Учитывая широкое применение вакуумированных типов изоляции, к металлам и сварным соединениям предъявляются требования вакуумной плотности или герметичности.

Металлы и материалы для изготовления тепловых мостов должны сочетать высокую прочность с низкой теплопроводностью. В конструкциях, подвергающихся периодическим отогревам, общая теплоемкость должна быть минимальной.

Для многих материалов существует определенное значение напряжения, при котором деформация материала при испытании на растяжение начинает быстро увеличиваться с увеличением напряжения. Это значение напряжения называется пределом текучести материала. Пластическая деформация, или текучесть, происходит в результате массового движения дислокаций в материале.

По мере понижения температуры атомы материала вибрируют слабее. Благодаря пониженному тепловому перемещению атомов требуется создать большее напряжение для того, чтобы вырвать эти дислокации из окружения добавляемых атомов. Исходя из этого, предел текучести для сплавов будет возрастать с понижением температуры.

При понижении температуры сопротивление пластической деформации (предел текучести, твердость) возрастает. Характер пластической деформации определяется сдвигом одной атомной плоскости кристаллической решетки металла относительно другой. Определяющую роль в этом случае играют дислокации. Процесс деформации твердого тела сопровождается перемещением дислокаций,

при их отсутствии необходимы значительные силы для сдвига атомных плоскостей.

Пределом прочности материала при растяжении называют максимальное напряжение, достигаемое при испытании.

Прочностные свойства металлических материалов в значительной степени зависят от типа кристаллической решетки, наличия примесей и дефектов.

Воздействие низкой температуры на материал увеличивает его прочность.

Понижение температуры особенно сильно влияет на пластические свойства: ударную вязкость, относительное удлинение, сжатие. Для многих материалов понижение температуры приводит к уменьшению пластичности, возникает тенденция к хрупкому разрушению (хладноломкость). Испытания на сопротивление материала ударной нагрузке показывают поглощаемую материалом энергию при разрушении в результате внезапного приложения силы. В некоторых материалах, таких, как углеродистая сталь, при температурах в интервале от комнатной до 78 К происходит пластично-хрупкий переход, что приводит к существенному снижению ударной вязкости при низких температурах.

Пластичность материалов обычно выражается процентами удлинения до разрушения или сокращением площади поперечного сечения образца при испытании на растяжение.

Для материалов, у которых отсутствует пластично-хрупкий переход при низких температурах, пластичность обычно несколько возрастает с понижением температуры. Для углеродистых сталей, которые имеют низкотемпературный переход, удлинение при разрушении падает.

Твердость металлов измеряется размером углубления, оставляемого на поверхности материала стандартным индентором. Твердость металлов прямо пропорциональна пределу прочности материала, поэтому твердость повышается с понижением температуры.

С понижением температуры межатомные и межмолекулярные силы возрастают вследствие понижения отрицательного влияния атомных и молекулярных колебаний. Поскольку упругая реакция обусловлена действием этих межмолекулярных и межатомных сил, следует ожидать повышения модуля упругости по мере понижения температуры.

Напряжение, при котором происходит разрушение после заданного числа циклов, называют пределом усталости. Некоторые материалы, такие, как углеродистые стали и алюминиево-магниевые сплавы, обладают таким свойством, что предел усталости не наступает, если напряжение поддерживается ниже определенного уровня, называемого пределом длительной усталости, при каком угодно большом числе циклов. Усталостное разрушение для случая, включающего более чем 10³ циклов, обычно происходит в три стадии: появление микротрещины, медленный рост трещины до достижения критического размера трещины и быстрое разрушение в результате пластичного разрыва или раскалывания. С понижением температуры материала требуется большее напряжение для увеличения трещины, поэтому с понижением температуры будет наблюдаться увеличение предела усталости.

Пластмассы обладают низкой теплопроводностью и малой плотностью Они эластичны и обладают антифрикционными свойствами. Полимерные материалы состоят из молекул с длинными цепями, прочность и пластичность их достаточно высоки. Фторопласт, поликарбонаты имеют малую прочность, но высокую эластичность (их применяют в качестве уплотнителей вплоть до 4 К).

Прочность композиционных материалов с полимерной матрицей выше прочности неармированных пластмасс. Текстолит и гетинакс - высокопрочные композиционные материалы, поэтому их применяют как теплоизолирующие прокладки, пары трения и т.д. Стеклопластики, имеющие прочность, близкую к стали, но низкую теплопроводность, применяются в качестве элементов опор и арматуры, где важны малые теплопритоки и высокая прочность.

В таблице 7 представлены основные механические свойства конструкционных материалов

Таблица 7

Механические свойства конструкционных материалов

Материал	Предел прочности, МПа	Предел текучести, МПа	Ударная вязкость, кДж/м3
12Х18Н10Т	1400…1700	440…450	1600…2000
АМг-6	440	180	210
ВТ-1	1320	1290	450
М-3	380	76	3700
Кварцевое стекло	70…120	-	-
Фторопласт, Ф-4	105	-	-
Стекловолокнит, АГ-4	910	-	326
Стеклотекстолит	256	-	172