Изменение свойств металлов при понижении температуры

Об изменении свойств металлов при понижении температуры обыч-но судят, ориентируясь на их свойства при комнатных температурах (18...20°С). Необходимо различать свойства металлов, установленные на гладких образцах и при статическом нагружении, (предел текучести s_0,2, предел прочности s_В, действительное разрушающее напряжение s_р, отно-сительное удлинение d, поперечное сужение y) и свойства металлов при испытании образцов с надрезами при статическом или ударном нагруже-нии.

У подавляющего большинства металлов при снижении температуры s_В, s_т и Н_В (твердость) увеличиваются и, казалось бы, можно назначать более высокие допускаемые напряжения и уменьшать металлоемкость кон-струкций. Но это удается сделать редко, так как много конструкций экс-плуатируются как при низких, так и при повышенных температурах, что заставляет ориентироваться на более низкие значения s_т и s_в. Кроме того, почти во всех деталях и конструкциях имеется концентрация напряжений, а так как при понижении температуры чувствительность многих металлов к ним резко возрастает, то на первый план выступает сопротивляемость хрупким разрушениям. Но в криогенной технике, когда максимальные Ра-бочие нагрузки действуют только при низких температурах, а металл при этом нечувствителен к концентрации напряжений, удается повышать до-пускаемые напряжения.

Характер изменения свойств металлов при понижении температуры зависит от многих факторов: вида кристаллической решетки, химическо- го состава, величины зерна, термической обработки – и проявляется по-разному в зависимости от условий нагружения и напряженного состояния.

Изменение s_В, s_0,2 и d разных металлов показано на рисунке 7.1.

Наиболее сильные изменения s_в и s_0,2 характерны для коррозионно-стойких сталей и титановых сплавов. У металлов и сплавов с гранецентри-рованной кубической решеткой (Fe_g, Al, Cu, Аu, Аg, Nі) с понижением температуры предел текучести в сравнении с пределом прочности повыша-ется незначительно и они относятся к хладостойким. Пластичность и удар-ная вязкость у них почти не меняются.

У металлов и сплавов с объемно центрированной кубической решет-кой (Fe_α, Сr, Мо, Та, Nв, W) предел текучести повышается более значите-льно, чем предел прочности, пластичность заметно понижается и они от-носятся к хладноломким.

Рисунок 7.1 – Прочность и пластичность при низких температурах

коррозионно-стойких сталей (а); титановых (б); алюминиевых (в)

и магниевых (г) сплавов

Изменение предела текучести в сталях зависит от его уровня при комнатных температурах. Чем ниже предел текучести при 20^оС, тем более сильно он изменяется при понижении температуры (рис.7.2) .

1 – σ²⁰_0,2 200 МПа; 2 – σ²⁰_0,2 = 250 ...400 МПа;

3 – σ²⁰_0,2 = 600...700 МПа; 4 – σ²⁰_0,2 = 1000...1200 МПа ;

5 – σ²⁰_0,2 = 1400…1800 МПа

Рисунок 7.2 – Зависимость σ_0,2/ σ²⁰_0,2 от температуры

Особенности в изменении свойств металлов при понижении темпе- ратуры:

- Пластичность обычно уменьшается. Более резко – в углеродистых конструкционных сталях и низколегированных, слабее – у других метал- лов. У ряда алюминиевых и медных сплавов в некоторых случаях происхо- дит увеличение пластичности (табл.7.1) .

- Сопротивление усталости при переменных нагрузках у большинст-ва металлов возрастает.

- Чувствительность к концентрации напряжений при острых надре-зах возрастает, а ударная вязкость (работа разрушения) уменьшается наи-более заметно у железа, углеродистых и низколегированных сталей невы-сокой прочности, которые имеют резко выраженную область перехода от вязкого к хрупкому разрушению.

Таблица 7.1 – Механические свойства металлов при разных

температурах