Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Изменение свойств конструкционных материалов при охлаждении

Многие элементы современных машин и аппаратов работают в условиях умеренного (до 200 К) и глубокого (до 4 К) охлаждения. Это элементы установок сжижения и разделения газов, системы космических аппаратов, высотных самолетов, детали и узлы транспортных и горных машин, работающих в условиях Крайнего Севера, и др. Применяемые для их изготовления конструкционные материалы должны обеспечивать надежную работу аппаратов, машин и механизмов в заданных температурных условиях. Высоколегированные стали и сплавы на основе никеля, алюминия, титана, композиционные материалы и пластики получают все большее распространение наряду с применяемыми обычно конструкционными сталями. Чтобы выбрать наиболее подходящий для заданных рабочих условий материал и правильно определить надежность и долговечность изделия, конструктору требуются глубокие знания физической природы процессов, происходящих в материалах при эксплуатации, а также точные данные об изменениях основных характеристик материалов под воздействием внешних условий. С понижением температуры большинство материалов становится более прочными и износостойкими. При 77 К (температура кипения жидкого азота) предел прочности большинства металлов в 2-5 раз больше, чем при комнатной температуре; прочность некоторых пластмасс увеличивается в 8 раз, стекла- в 12 раз. При 4,2 К (температура кипения жидкого гелия) предел прочности меди в 2 раза больше, чем при комнатной температуре, а прессованного алюминия в 6 раз, сталей в 2,5-3 раза. Уменьшение пластичности и повышение твердости при низких температурах позволяет повысить эффективность механической обработки ряда материалов. При низких температурах улучшаются режущие свойства и повышается стойкость металлорежущего инструмента. Применение холода для термической обработки металлов позволяет стабилизировать размеры прецизионных деталей и получить необходимую структуру. Однако при низких температурах в материале, особенно под нагрузкой, могут происходить внутренние структурные превращения, в результате чего возрастает опасность внезапного разрушения деталей. Поэтому даже в тех случаях, когда глубокое охлаждение носило временный характер, при последующей работе в условиях нормальных температур следует считаться с возможными остаточными явлениями, а при работе в условиях низких температур необходимо учитывать возможность преждевременного хрупкого разрушения материала в результате уменьшения пластичности. Одна из причин хрупкого разрушения - мартенситное превращение, сопровождающееся увеличением объема и снижением ударной вязкости. Изменение объема тела сложной формы при локальных выделениях мартенсита сопровождается возникновением дополнительных местных напряжений, часто приводящих к разрушению деталей. В связи с этим целесообразно на заводе-изготовителе подвергать воздействию низких температур все детали и узлы машин, предназначенные для работы в условиях низких температур. После такой обработки в материалах деталей закончатся все процессы структурообразования и можно будет забраковать детали, в которых возникнут при этом дополнительные напряжения. На заводе могут быть разработаны такие конструктивные формы деталей, в которых внутренние напряжения минимальны. Изменения структуры материала сопровождаются изменением его плотности, а также прочностных, электрических и магнитных характеристик. При обработке холодом стальных деталей можно добиться необходимого изменения указанных характеристик. В машиностроении широко используется нагрев (тепловая обработка) как средство получения высокопрочного или пластичного структурного состояния сталей и сплавов, а также для снижения остаточных напряжений и для уменьшения структурных отличий основного металла и сварных швов. Совершенствование техники получения низких температур и опыт использования холодильных установок позволяют применять холод в технологии машиностроения. Изучение поведения материалов и особенностей их разрушения при низких температурах имеет значение для успешного освоения Крайнего Севера и некоторых других районов страны, где техника работает значительное время года при низких (до 215 К) температурах. Машины и механизмы, не приспособленные для работы в таких условиях, быстро выходят из строя. Конструирование и производство такого рода техники должно определяться обоснованными рекомендациями по выбору материалов и экспериментально проверенных методов оценки склонности металлов к хрупкому разрушению. Уменьшить аварийность и повысить долговечность машин и механизмов можно только при условии учета особенностей поведения материалов при низких температурах, правильного подбора материалов для конструкций, несущих значительные силовые нагрузки, проведения испытаний деталей наиболее ответственных узлов и целых механизмов в условиях низких температур, вакуума, тепловых ударов и т. д.

Тепловое состояние тела характеризуется его температурой. Когда температура снижается, термоактивируемые эффекты в кристаллических телах уменьшаются; значительно изменяются основные физические и механические свойства. Электросопротивление металлов линейно уменьшается с понижением температуры и устанавливается на значении, обычно называемом остаточным сопротивлением. Определение остаточного сопротивления является чувствительным методом изучения степени совершенства кристаллического строения металла, так как точка остаточного сопротивления определяется рассеянием электронов из-за примесей и дефектов в кристаллах. У ряда металлов при температурах от 4 до 23 К электрическое сопротивление падает до нуля [1]. Опыты указывают на снижение предела текучести металлов при переходе в сверхпроводящее состояние в связи с ослаблением электронного торможения дислокаций. На прочность и вид разрушения твердых тел не влияет переход в сверхпроводящее состояние. Теплоемкость всех материалов становится чрезвычайно малой при криогенных температурах (ниже 200 К), и даже небольшое количество тепла может существенно изменить температуру тела. Влияние электронов проводимости на теплоемкость ощутимо лишь при температурах, близких к абсолютному нулю. Теплоемкость твердых тел, которая меняется в начале охлаждения почти линейно, в криогенной области пропорциональна третьей степени абсолютной температуры (закон Дебая). Теплопроводность у относительно чистых металлов зависит главным образом от электронного вклада и при охлаждении сначала увеличивается, а затем быстро падает до нуля. У сплавов теплопроводность зависит как от электронной структуры, так и от кристаллического строения, а поэтому меньше чувствительна к снижению температуры. Важным свойством конструкционных материалов при их механической обработке в условиях низких температур и при их использовании в низкотемпературной технике является термическое расширение. С повышением температуры тела амплитуда колебаний атомов увеличивается, растет среднее расстояние между атомами, увеличивается объем тела. Расширение заметно при нагреве выше 20 К. Для большинства материалов после 55 и до 290 К термическое расширение изменяется линейно. Относительный температурный коэффициент линейного расширения стремится к нулю при температурах, близких к абсолютному нулю [2]. Общее термическое линейное расширение у металлов при нагреве от гелиевых температур до 293 К обычно меньше 0,5 % первоначальной длины образца: у меди, например, 0,3 % [3]. У хромоникелевых сталей заметное изменение относительного температурного коэффициента расширения при охлаждении наступает после мартенситного превращения [3]. Обычно в конструкторских и технологических расчетах пользуются средним значением температурного коэффициента линейного расширения для определенного температурного интервала (табл. 1).

Температурный коэффициент линейного расширения α материалов при охлаждении

Таблица 1