Microsoft Word Document (2)
.docxМіністерство освіти і науки молоді та спорту України
Запорізький національний технічний університет
Реферат
з дисципліни "Сталі та сплави з особливими особливостями»
на тему: «Сталі для кріогенної техніки»
Виконав: ст. гр. ІФФ-210 Білоус А.П.
Прийняв: Кононенко Ю.І.
Запоріжжя 2013г.
План
Введение
-
Стали
-
Сталь 12Х18Н9Т
-
Сталь 07Х21Н5АГ7
-
Сталь 03Х20Н16АГ6
-
Сталь 07Х16Н6
-
Сталь 0Н9
-
Сплав 36НХ
-
-
Алюминии и его сплавы
-
Сплав АМг5
-
Сплав Д16
-
Сплав 1201
-
-
Медь и ее сплавы
-
Техническая медь Ml, М2, MS
-
Латунь Л63
-
Бронза БрАЖМц
-
-
Титан и его сплавы.
-
Технический титан ВТ1—0
-
Сплав ВТ5—1
-
Сплав ОТ4—1
-
Список использованный литературы
Введение
Криогенная техника используется в металлургии, химической промышленности, ракетной и авиационной технике, приборостроении, криобиологии, криомедицине и т. д. Криогенная техника по функциональному назначению связана с получением сжиженных газов (кислорода, азота, водорода, гелия, инертных, а также природных иа основе органических соединений), их транспортированием и хранением в сжиженном состоянии или использованием в качестве рабочих тел. Ниже указаны температуры кипения сжиженных газов при нормальном давлении, которые одновременно указывают на температурные области применения конструкционных материалов в криогенной технике.
Газ |
Метан |
Кислород |
Аргон |
Фтор |
tкип°С |
-161 |
-183 |
-185 |
-188 |
Газ |
Азот |
Неон |
Водород |
Гелий |
tкип°С |
-196 |
-246 |
-253 |
-269 |
Основными требованиями к сталям и сплавам, работающим при низких температурах, являются следующие:
-малая чувствительность к хрупкому разрушению при низких температу. pax, определяемая запасом пластичности и вязкости;
-высокая прочность при 20°С, которая определяет надежность и металлоемкость конструкций, а также количество хладагента, требуемого для их захолаживаиия;
-технологичность при металлургическом и машиностроительном переделе.
При решении вопроса о пригодности материала по механическим свойствам обычно определяют предел текучести, временное сопротивление, относительное удлинение и сужение иа гладких образцах и образцах с концентратором напряжений в виде надреза или трещины, ударную вязкость, порог хладноломкости, критерии Ирвина, и критическое раскрытие трещин.
В зависимости от назначения к стали и сплаву могут предъявляться требования по коррозионной стойкости, магнитности или немагнитности, значению коэффициента теплопроводности вакуумплотности и т.д.
В криогенной технике широко используются стали различных классов, сплавы на основе алюминия, меди, реже титана.
Рис.1 Механические свойства стали с 0,03% С и 18% Cr и различным содержанием никеля при t=20, -196, -253°С; термическая обработка закалка с 1050°С в воду; заштрихованные области – возможно, содержание никеля в сталях типа 18-10.
1.Стали. Среди сталей уастенитного класса найбольшее распространение нашли стали типа 18-10 (химический состав по ГОСТ 5632-72) (08Х18НТ,12Х18Н9Т, 12Х18Н10Т, 08Х18Н10Т, 03Х18Н11, 12Х18Н9Т). На рис.1 показаны механические свойства этой группы материалов при 20, -196 и -253°С в зависимости от содержаний никеля. Изменение механических свойств отражают влияние никеля на структуру стали в диапазоне от 20 до -253°С; это влияние выражается в стабилизации аустенита относительно (γ δ) – превращение при нагреве под закалку, а также относительно мартенситного превращения при охлаждении и пластической деформации.
Стали 12Х18Н9Т, 12Х18Н10Т, 03Х18Н11 используют для создания широкой номенклатуры изделий, работающих при температуре от 800 до -269°С, изготовляемых методами горячей и холодной пластической деформации с использованием различных видов сварки и пайки. Термическую обработку сварных и паянных соединений, как правило, не применяют.
1,1 Сталь 12Х18Н9Т используют для изготовления упруго -чувствительных элементов, работающих при криогенных температурах( пружины, мембраны, сильфоны и т.д.); эта сталь хорошо шлифуется и полируется; однако сварные и паянные соединения из этой стали почти всегда требуют термическую обработки во избежание снижения пластичности и охрупчивания при криогенных температурах. Механические свойства, типичные для наиболее распространенных стали 12Х18Н10Т приведены в таблице 1 и 2.
Табл.1 Механические свойства прутковой стали 12Х18Н10Т при температуре от 20 до —269° С
Табл.2 Механические свойства тонколистовой стали 12Х18НЮТ
1,2 Сталь 07Х21Н5АГ7 (ЭП222) (химический состав по ГОСТ 5632-72) предназначена для изготовления сварных и несварных изделий, работающих при температуре от 400 до -253°С. Типичное изделие: подвески в кислородных установках, крепеж, цепи, шпиндели, тонкостенные сварные и паянные конструкции, изготовляемые методами горячей и холодной деформации.
По сравнению со сталями типа 18-10 сталь 10Х21Н5АГ7 обладает более высокой прочностью.
После закалки от 1000-1050°С сталь имеет аустенитную структуру с 5-15% δ-феррита; при нагреве до 600-800°С в аустените преимущественно по границам зерен выделяется карбидная фаза типа Cr23C6; присутствие карбидной сетки оказывает отрицательное влияние на ударную вязкость, особенно при низких температурах. В связи с этим изделие, которые подверглись в подверглись в процессе технологических операций нагреву в интервале 600-800°С, должны подвергается термической обработке, состоящей в закалке с 1000-1050°С в воду.
Механические свойства стали 07Х21Н5АГ7 представлены в таблице 3 и 4.
Табл.3 Механические свойства стали 07Х21Н5АГ7 при температуре от 20 до -253°С
Табл.4 Влияние холодной пластической деформации на механические свойства стали 07Х21Н5АГ7
Сталь 07X21Н5АГ7 технологична при аргонодуговой сварке вольфрамовым электродом с присадкой я без присадки, плавящимся электродом среде гелия высокой чистоты, при автоматической сварке под флюсов АН-26. В качестве присадочного материала применяют проволоку марок Св-10Х16Н25АМ6 и Св-08Х 15Н23В7Г7М2; сталь удовлетворительно сваривается со сталями 12Х18Н10Т, 12Х21Н5Т, 07Х16Н6 и др,
1,3 Сталь 03Х20Н16АГ6 предназначена для изготовления сварных крупногабаритных емкостей и резервуаров, наводящихся длительное время под давлением при периодической смена температур от 20 до —269 °С; допускается применение стали при температуре от 600 до —259 °С без ограничения давления.
Химический состав следующий (мас, доли, %): С < 0,025; Si < 0,6; Мn 6-7,5; Сг 20—25; Ni 15—16,5; N 0,15— 0,28; S < 0,02; Р < 0,025.
Для стали 03Х20Н16АГ6 характерна стабильно аустенитная структура во всем диапазоне температур: от нагрева под горячую пластическую обработку до температуры сжиженного гелия (— 269 °С). Пластическая деформация при 20 °С и криогенных температурах также не вызывает фазовых превращений мартенситиого типа. По указанным причинам сталь остается немагнитной.
Единственной фазовой реакцией, протекающей в стали, является выделение карбидной и нитридной фаз (Сr23 С6 и CrN) при нагреве в интервала 600—850 °С; первые выделения этих фаз по границам зерен обнаруживаются после выдержки 1 час, что приводит к снижению ударной вязкости при криогенных температурах. Легирование стали азотом и наличие стабильного аустенита дает возможность получить одновременно достаточно высокую для аустенитной стали прочность при 20°С и высокий запас пластичности и вязкости при низких температурах (табл. 5 и 6 ).
Сталь 03Х20Н16АГ6 сваривается ручной дуговой сваркой, ручной и автоматической аргонодуговой, автоматической сваркой под флюсом. Стойкость стали к образованию трещин удовлетворительная.
Табл. 5 Механические свойства стали 03Х20Н16АГ6 при температуре от 20 до -269°С (термическая обработка: закалка с 1000°С в воду)
Табл.6 Влияние холодной пластической деформации на механические свойства стали 03Х20Н16АГ6 (термическая обработка: закалка с 1000°С в воду)
1,4 Сталь 07Х16Н6 (ЭП 288) аустенитно-мартенситного класса (химический состав по ГОСТ 5632—72) применяется для изготовления нагруженных деталей, работающих от 20 до —253 °С. При кратковременной выдержке максимальная температура эксплуатации стали 500 °С, а при длительной выдержке 400 °С.
После нагрева до 1000 °С и охлаждения в воде или на воздухе до 20°С структура стали состоит из 10—50% мартенсита (остальное аустенит). Охлаждение предварительно нормализованной или закаленной стали до —70°С в течение 2 часов повышает содержаний мартенситной составляющей до 80%; охлаждение до более низких температур, например до -196 к дополнительному превращению не приводит; обратное превращение α > γ начинается в стали примерно при 500 °С.
В интервале 600—800°С по границам аустенитных зерен выделяются карбиды хрома (Cr23 С6); карбидная реакция может начаться уже при медленном охлаждении в данном интервале температур, тем более при изо- термической выдержке. Образование карбидной сетки приводит к снижению пластичности и ударной вязкости при криогенных температурах.
Сталь 07Х16Н6 обладает хорошей технологичностью при аргонодуговой сварке вольфрамовым электродом без присадки , и с присадкой, плавящимся электродом в среде гелия и смеси аргона с 15-20% углекислого газа. Для выполнения сварных соединений подвергаемых термической обработке, в качестве присадочного материала применяют сварочную проволоку 07Х16Н6; при этом минимальная температура эксплуатации сварных соединений -253°С.
Механические свойства стали 07Х16Н6 приведены в таблице 7.
Табл.7 Механические свойства стали 07Х16Н6 при низких температурах.
1,5 Сталь 0Н9 (химический состав (мас. доли%); С≤0,10; Mn 0,3-0,6; Si 0,15-0,35; Ni 8,5-10,0; S≤0,15; P≤0,02) широко применяется за рубежом и в меньшей степени у нас; она предназначена для изготовления крупногабаритных и других сварных резервуаров, используемых для хранения и транспортирования сжиженных газов с температурой кипения не ниже — 196°С.
После нормализации с температуры Ас3+ 30°С сталь имеет структуру мартенсита с 10—15% аустенита.
Термическая обработка стали ОН9 может осуществляться по двум режимам:
-двойная нормализация с 900 и 790 СС, высокий отпуск при 550—
600 °С.
-закалка с 810—830 °С в воду, высокий отпуск при 550—600 °С,
Механические свойства стали 0Н9 приведены в таблице 8.
Смягчающей термической обработкой для стали 0Н9 является длительный отпуск при 500—550 °С.
Сварку листов или других полуфабрикатов, прошедших окончательную термическую обработку, ведут с присадочным материалом из аустенитной стали.
Табл.8 Механические свойства стали 0Н9 при низких температурах.
1,6 Сплав 36НХ относится к типу инварных, т.е. имеет малоизменяющийся и низких температурный коэффициент линейного расширения (рис. 1). Сплав применяют в сварных конструкциях, работающих в условиях циклической смены температур от 20 до -253°С, например, для изготовления бескомпенсационных криотрубопроводов. Химический состав сплава следующий доля, %); С <0,05; Si < 0,3; Мn 0,3-0,6; Ni 35,0-37,0; Сг 0,4- Си 0,25; S 0,02; Fe — остальное.
В закаленном состоянии (800-1000°С) сплав имеет структуру γ-твердого раствора, которая устойчива против мартенситного превращения при длительном нагружении при температуре до -253°С.
Для максимальной стабилизации коэффициента рекомендуется следующий режим: закалка с 840-850°С; отпуск для снятия внутренних напряжений при 310-330°С, 1 час, воздух; стабилизирующий отпуск при 100°С, 48 часов, воздух.
Хранение изделий на открытом воздухе допускается только в упакованном виде с применением ингибиторов.
Механические и физические свойства сплава 36НХ приведены в таблице 9 и 10.
Табл. 9 влияние режима термической обработки на механические свойства сплава 36НХ
Табл. 10 Температурный коэффициент линейного расширения (α *106 , °С-1 ) сплава 36НХ после различных режимов термической обработки.
Сплав 36НХ толщиной до 4 мм сваривается аргонодуговой сваркой проволокой 36НГТ и 36НГ6 и неплавящимся электродом. Сварные соединения не требуют термической обработки.
2.Алюминии и его сплавы. В металлоконструкциях криогенной техники доля алюминия и его сплавов составляет примерно 30 % общего объема используемого металла.
Для алюминия характерно отсутствие порога хладноломкости, сохранение высокой пластичности с понижением температуры (а иногда даже ее повышение), малая зависимость прочности от температуры ниже нуля, коррозионная стойкость на воздухе и в окислительных средах, высокая тепло- н электропроводность. Эти свойства алюминия в той или иной степени наследуются его сплавами; это и оправдывает их широкое распространение в криогенной технике.
В табл. 11 приведены механические свойства отожженного алюминия АД1 (1013) (химический состав по ГОСТ 4784—74). Термическая обработка технического алюминия заключается в отжиге при 350—400°С с охлаждением на воздухе.
Табл. 11 Механические свойства отоженного алюминия АД1
Технический алюминий хорошо сваривается газовой, аргонодуговой, контактной сваркой.
Технический алюминий используют во всем диапазоне температур ниже 150 °С для труб теплообменных аппаратов и других малонагруженных деталей н узлов. Среди деформируемых сплавов алюминия в криогенной технике наибольшее распространение получили сплавы системы At—Mg — магналнн (АМгб, АМгб и др.), а также сплавы на основе более сложных систем легирования: с добавками медн, магния, марганца и др. (АВ, Д16, 1201, А Кб и др.).
В криогенной технике применяют также литейные алюминиевые сплавы, Равным образом силумины, легированные 6—13 % Si. Ниже приведена Характеристика наиболее употребляемых сплавов алюминия.
2,1 Сплав АМг5 (химический состав по ГОСТ 4784—74) применяют для натуженных деталей, в том числе сварных: обечаек, днищ, фланцев, трубных Решеток и других металлоизделий, Работающих при температуре —253,
-150°С.
Термическая обработка сплава: отжиг при 305—340 "С, охлаждение на воздухе. После такой обработки сплав имеет механические свойства, указанные в табл. 12.
Чаще всего для изготовления сварных металлоизделий применяют аргонодуговую сварку.
Табл.12 Механические свойства сплава АМг5 при низких температурах.
2,2 Сплав Д16 (химический состав по ГОСТ 4784—74) обладает высокой прочностью; однако при этом он имеет пониженную стойкость против равномерной и межкристаллитной коррозии, а также коррозии под напряжением.
В криогенной технике сплав Д16 применяют для нагруженных несвариваемых деталей (крепежа, фланцев и т. д.), работающих в интервале температур —253-230°С, Промежуточная термическая обработка сплава Д16 состоит в отжиге при 380—430 °С с охлаждением до 275—250 °С со скоростью не более 30°/ч, далее на воздухе. Окончательная термическая обработка состоит в закалке с температуры 500 °С в воду и естественного старения при 20 °С в течение 90—100 часов (табл. 13); нагартованные листы после холодной прокатки непосредственно подвергают искусственному старению при температуре 130 в течение 20 ч.
Табл.13 Механические свойства сплава Д16 при низких температурах (термическая обработка: закалка + естественное старение)
2,3 Сплав 1201 (химический состав (мас доли, %): Сu 5,8-6,8; Мn 0,2-0,4; Zr 0,10—0.25; V 0,05—0,15; Ti 0,02-0,10) принадлежит к упрочняемым свариваемым сплавам алюминия. Сплав 1201 применяют для изготовления сварных металлоизделий: обечаек днищ, фланцев и т. д., работающий в интервале температур —253-200 °С (в случае кратковременного нагружения до 300 °С).
Смягчающей термической обработкой сплава является отжиг при температуре 350—370 °С в течение 2—4 часа с охлаждением на воздухе.
Упрочняющая термическая обработка состоит в закалке с температуры
540 °С в воду с последующим искусственным старением при 150—190 °С, 18 ч (табл. 14).
Табл. 14 Механические свойства сплава 1201 при низких температурах (термическая обработка (лист): закалка, правка листа с деформацией 1-3 %, искусственное старение при 180°С 18 часов)
Сплав 1201 сваривают аргонодуговым, гелиево-дуговым, электронно-лучевым, шовным и точечным способами.
3. Медь и ее сплавы являются материалами, которые одними из первых стали применяться в криогенной технике. Для меди характерна высокая пластичность и вязкость до температур, близких к абсолютному нулю; при испытаниях в области криогенных температур медь не показывает даже признаков хрупкого разрушения; чистая медь имеет высокую теплопроводность и коррозионную стойкость в атмосферных условиях и многих агрессивных средах.
3,1 Техническая медь Ml, М2, MS (химический состав по ГОСТ 859—78) применяется для изготовления металлоизделий криогенной техники, работающих при температурах от абсолютного нуля до 250 СС, в том числе днищ, обечаек трубчатых теплообменинков. Листовую медь используют для внутренних емкостей и экранов сосудов Дьюара для хранения и транспортирования сжиженных газов. В табл. 15 представлены механические свойства технической меди при низких температурах.
Табл.15 Механические свойства отожеженной меди М3 при низких температурах
Техническая медь применяется в отожженном (мягком) состоянии (температура отжига составляет 500— 700 °С), а также после холодной нагартовки. Основной вид соединения – пайка на мягких (типа ПОС) и твердых (типа ПСр) припоях. Можно получать и сварные соединения, что, однако, связано с рядом трудностей. В криогенной технике применяют ручную сварку плавящимся электродом (например, «Комсомолец-100»); применяется сварка под слоем флюса и в защитных газах. При толщине сечения изделия более 10 мм сварку проводят с подогревом.
3,2 Латунь Л63 (химический состав по ГОСТ 15527—70) применяется в криогенной технике при температурах —253-250°С в мягком и полутвердом состоянии (обечайки, днища, фланцы и ар.). После холодной деформации латунь Л63 подвергают отжигу при 600— 700°С; для снятия внутренних напряжений применяют отжиг при 270-285 СС.
Механические свойства этой латуни приведены в табл. 16.
Табл. 16 Механические свойства латуни Л63 при низких температурах (пруток диаметром 10-12мм)
Сплав имеет удовлетворительную свариваемость; применяют автоматическую сварку с присадочным материалом из бронзы БрОЦ4—3 и флюсом АН-20. При сварке деталей сложной конфигурации или толщиной более 10мм необходим предварительный нагрев.
Латунь Л63 проявляет хорошую технологичность при пайке оловянисто-свинцовыми припоями (ГЮС 40) и свинцово-серебряными типа ПСр 1,5.
3,3 Бронза БрАЖМц 10—3—1,5 относится к деформируемым и литейным Материалам на основе системы медь— алюминий (10 %) - железо (3 %) — марганец (1,5 %) (химический состав по ГОСТ 18175—78). Сплав используют для изготовления деталей, работающих при —196-150°С в условиях статической и циклической нагрузок, когда требуется малый коэффициент трения (шестерни, втулки, арматура, фасонное литье и т. д.).
В деформированном состоянии сплав Применяется непосредственно после горячей пластической деформации и после закалки с отпуском (табл. 17).
Табл. 17 Механические свойства бронзы БрАЖМц 10—3—1,5 при низких температурах.
Смягчающей термической обработкой для сплава БрАЖМц 10—3—1,5 является отжиг при температуре 700 °С ± 50 СС с охлаждением с печью.
Соединения из сплава выполняются сваркой и пайкой.
При сварке деталей толщиной до 4 мм применяются все виды дуговой сварки без предварительного подогрева; при автоматической сварке используют флюс АН-20 и проволоку близкого состава.
Пайку осуществляют на низкотемпературных оловянисто-свинцовых и высокотемпературных серебряных припоях.
4. Титан и его сплавы. Для криогенной техники тнтан и его сплавы относительно новые материалы, однако их применение с каждым годом расширяется. Титан и его сплавы, обладая достаточно высокой прочностью при 20 СС (на уровне аустенитных и других сталей), имеют удовлетворительную пластичность и ударную вязкость при криогенных температурах. Преимуществом гитана является малая плотность (4500 кг/м3), что обеспечивает его сплавам удельную прочность более высокую, чем прочность многих сталей и алюминиевых сплавов. Высокая удельная прочность сплавов титана необходима для изготовления деталей и узлов летательных аппаратов.
Титан немагнитен и, следовательно, может применяться в криоэнергетике для изготовления электрических машин, использующих сверхпроводящие материалы.
4,1 Технический титан ВТ1—0 (химический состав по ОСТ 1-90013—78) применяют для изготовления несварных и сварных конструкций (обечаек, фланцев и т. д.), работающих под давлением в интервале температур —269+ 250 °С.
Технический титан используется в отожженном состоянии: отжиг выполняется при 520-540°С; желательно нагрев полуфабрикатов или деталей осуществлять в вакуумных печах или в печах с защитной атмосферой. В отожженной состоянии технический титан имеет механические свойства приведенные в таблице 18.
Табл. 18 Механические свойства технического титана ВТ10 при низких температурах (термическая обработка: отжиг)
Технический титан хорошо сваривается; при этом сварку осуществляют аргонодуговым способом при малой погонной энергии. Для однородных соединений или соединений с алюминием применяют пайку в вакууме, аргоне, диффузионную. Наилучшие свойства паяных соединений достигаются присадкой серебра.
Титан обладает высокой коррозионной стойкостью в атмосферных условиях и окислительных средах.
4,2 Сплав ВТ5—1 (химический состав по ОСТ 1-90013—78) предназначен для изготовления деталей и узлов, в том числе сварных, работающих под давлением в интервале температур —253-т- 500°С. Сплав в основном используется в отожженном состоянии; от- л;иг проводится при 700—750 °С.
После отжига сплав ВТ5-1 имеет механическим свойств, указанные в таблице 19.
Табл. 19 Механические свойства сплава ВТ5-1 при низких температурах (термическая обработка: отжиг при 720°С)
Сплав технологичен при сварке: аргонодуговой под слоем флюса, электрошлаковой и др, При изготовлении из сплава ВТ5—1 крепежа последний подвергается оксидированию при 890 °<3 в течение 6 часов.
4,3 Сплав ОТ4—1 (химический состав по ГОСТ 1-90013—78) предназначен для изготовления деталей и узлов, в том числе сварных, сосудов и т. д.» работающих при — 196-350°С; в отдельных случаях, когда содержание легирующих элементов (алюминия и марганца ) находится на нижнем пределе, допускается применение сплава, начиная с -253°С.
Сплав используется в виде труб, листа и других полуфабрикатов в отожженном состоянии; температура отжига 740—760°С.
Для снятия наклепа применяют отжиг при 640—660 °С, а для снятия внутренних напряжений — при 520— 560°С.