Własności materiałów konstukcyjnych w
niskich temperaturach

Dobierając materiał konstrukcyjny do konkretnego zastosowania należy zawsze uwzględniać jego
wytrzymałość, trwałość zmęczeniową, wagę, cenę, technologiczność, odporność na korozję i inne
podobne czynniki. Jest ogólną zasadą, że w miarę obniżania temperatury wzrasta wytrzymałość
mechaniczna materiałów konstrukcyjnych.

Wynika to z obniżonej w niskich temperaturach energii cieplnej sieci krystalicznej przyspieszającej w
warunkach otoczenia dyslokacje. Pomimo wzrostu wytrzymałości materiałów w niskich
temperaturach, dobierając materiał konstrukcyjny do zastosowań kriogenicznych należy uwzględniać
jego własności mechaniczne przy temperaturze otoczenia, ze względu na możliwość powstania
gradientów temperatury w obrębie urządzenia. Ponadto w okresie schładzania urządzenie może być
poddane pełnym obciążeniom w warunkach praktycznie niezauważalnego spadku temperatury. W
przypadku urządzeń kriogenicznych o przydatności materiału decyduje również jego ciągliwość,
czyli własność materiału określająca jego podatność na odkształcanie, jak również zdolność
pochłaniania energii pochodzącej od uderzenia.

1. PLASTYCZNOŚĆ (CIĄGLIWOŚĆ) MATERIAŁÓW W NISKICH TEMPERATURACH
Na rysunku 1 pokazano typową zależność naprężenia od odkształcenia dla dwóch rodzajów materiału:
kruchego i plastycznego. W przypadku materiału ciągliwego, odkształcenie jest proporcjonalne do
naprężenia aż do pewnej wartości zwanej granicą plastyczności, powyżej której następuje trwałe
odkształcenie materiału. Jeżeli naprężenie nie przekracza granicy plastyczności, to po odciążeniu
materiał wraca do początkowych wymiarów. W tym obszarze naprężeń materiał ma własności
sprężyste. Jeżeli przekroczona zostanie granica plastyczności, to zależność pomiędzy obciążeniem i
odkształceniem przestaje być liniowa, a odkształcenie nie znika całkowicie po usunięciu
obciążenia materiału.

Rys. 1. Zależność odkształcenie - naprężenie w przypadku materiałów plastycznych i kruchych

Obciążenie, któremu towarzyszy arbitralnie przyjęte stałe odkształcenie wynoszące zazwyczaj 0,2%,
zostało zdefi niowane jako granica plastyczności (R0,2). W miarę wzrostu obciążenia powyżej granicy
plastyczności, odkształcenie stałe wzrasta, przy czym po przekroczeniu maksymalnego naprężenia
następuje przewężenie próbki, któremu towarzyszy spadek naprężenia, a następnie zerwanie próbki.
Maksymalne obciążenie zwane jest wytrzymałością materiału na rozciąganie (Rm). Materiał kruchy
nie wykazuje trwałego odkształcenia poprzedzającego pęknięcie. Zachowanie takie jest niewskazane
w przypadku jakichkolwiek konstrukcji pracujących pod obciążeniem, gdyż pęknięcie materiału
kruchego następuje bez ostrzeżenia i może prowadzić do rozrzutu fragmentów uszkodzonej instalacji
na duże odległości.

Materiały plastyczne nawet w przypadku obciążeń przekraczających w niewielkim stopniu granicę
plastyczności nie ulegają zniszczeniom, a jedynie odkształceniom, często niegroźnym, i
niepowodującym uszkodzeń.

Ciągliwość materiału może być określona na podstawie testu udarowego Charpy'ego. Na rysunku 2
pokazano wyniki testów Charpy'ego dla niektórych materiałów w zależności od temperatury.
Przyjmuje się, że materiały charakteryzujące się w niskich temperaturach odpornością na test
Charpy'ego większą niż 20 Nm mogą być stosowane w konstrukcjach kriogenicznych.

Metale, które zachowują ciągliwość pomimo obniżania temperatury mają sieć krystaliczną płasko
centrowaną, ułatwiającą dyslokacje. Są to np. aluminium i jego stopy, miedź, stale austenityczne.
Niektóre niestabilizowane stale austenityczne mogą powrócić do struktury martenzytycznej po
obciążeniu przekraczającym granicę plastyczności. Obecność martenzytu o sieci krystalicznej
przestrzennie centrowanej obniża ciągliwość metalu, stąd należy unikać przeciążeń konstrukcji
kriogenicznych. W tabeli 1 wymieniono niektóre metale oraz inne materiały zachowujące ciągliwość,
bądź przechodzące w stan kruchy w niskich temperaturach. Materiały zachowujące ciągliwość w
niskich temperaturach z założenia mogą być stosowane w konstrukcjach kriogenicznych.

Niektóre ze stali węglowych wykazują przejście w stan kruchości już przy temperaturze -10 F, co
było przyczyną katastrof statków typu Liberty podczas II wojny światowej (w statkach tych
zastosowano połączenia spawane zamiast nitowanych zdolnych do przemieszczeń i relaksacji
naprężeń).

Jednym z materiałów konstrukcyjnych stosowanych w aparaturze kriogenicznej (szczególnie
laboratoryjnej) jest szkło kwarcowe, charakteryzujące się pamięcią przeszłych uderzeń, za-rysowań i
naprężeń i mogące pęknąć nawet bez obciążenia. Jeżeli widoczność cieczy jest wskazana, to szklane
Dewary powinny być chronione plastikowymi osłonami.
Głównym zagrożeniem dla bezpieczeństwa ludzi i sprzętu wynikającym z kruchości materiału jest
oziębienie elementów, które nie były przewidywane i projektowane do pracy w warunkach obniżonej
temperatury. Przykładem takich elementów są zewnętrzne płaszcze próżniowe kriostatów, które
pozostają zawsze w temperaturze otoczenia, natomiast mogą zostać wyziębione w przypadku
wypływu kriogenu do przestrzeni próżniowej lub nieprawidłowo skierowanego wylotu z zaworu
bezpieczeństwa. W przypadku oziębienia takiego elementu następuje jego skurcz wywołujący
naprężenia i może dojść do kruchego pęknięcia. Konstruując urządzenia kriogeniczne należy
stosować materiały zachowujące ciągliwość w niskich temperaturach do budowy elementów, które
będą poddane działaniu temperatur kriogenicznych, natomiast pozostałe części (np. zewnętrzne
płaszcze naczyń próżniowych) mogą być wykonane z materiałów przechodzących w stan kruchy w
niskich temperaturach, pod warunkiem, że nie ulegną wyziębieniu np. przez bezpośredni kontakt z
gazem wypływającym przez zawór bezpieczeństwa lub nie są umieszczone bezpośrednio pod
nieizolowanymi przewodami z ciekłymi gazami, na powierzchni których może nastąpić kondensacja
powietrza - rys. 3.

Projektując urządzenia kriogeniczne należy zawsze uwzględniać skurcze termiczne powstające w
materiałach konstrukcyjnych na skutek obniżania temperatury materiału od temperatury otoczenia
do temperatur kriogenicznych. Współczynnik rozszerzalności cieplnej jest malejącą funkcją

temperatury, stąd największe skurcze (ok. 90 % całkowitej zmiany długości) występują w trakcie
obniżania temperatury do około 77 K, a więc do temperatury ciekłego azotu. W przypadku
współpracujących ze sobą elementów, które są połączone mechanicznie, a znajdują się w różnych
temperaturach, należy stosować kompensatory.

Rys. 2. Energia testu udarowego Charpy'ego dla różnych materiałów

2 KRUCHOŚĆ WODOROWA
W przypadku urządzeń mających kontakt z wodorem, wzrost kruchości materiału może być
spowodowany oddziaływaniem tego pierwiastka powodującym wewnętrzne zmiany strukturalne
materiału. Powstanie defektów wynikłych z kontaktu z wodorem zależne jest od wielu czynników,
takich jak: czas oddziaływania wodoru, ciśnienie, temperatura, czystość oraz koncentracja tego
pierwiastka, fizyczne oraz mechaniczne własności materiału i jego mikrostruktury.

Przyczyny wzrostu kruchości związane z oddziaływaniem wodoru są następujące:
1) wzrost kruchości na skutek zachodzenia reakcji chemicznych pomiędzy wodorem, a
pierwiastkami wchodzącymi w skład materiału, np. węglem (w skutek czego powstaje metan) lub
tlenem oraz wodą;

2) wewnętrzny wzrost kruchości zachodzący na skutek wprowadzenia wodoru do materiału w czasie
obróbki metalu np.: podczas galwanizacji lub wykańczających procesów technologicznych;

3) zewnętrzny (środowiskowy) wzrost kruchości materiału zachodzący w przypadku, gdy materiał
znajdzie się w atmosferze bogatej w wodór, którego stężenie jest wyższe od stężenia bezpiecznego,
nie wpływającego na zmiany struktury wewnętrznej materiału, co oznacza, że ilość zawartego w
atmosferze wodoru może swobodnie rozpuścić się w materiale nie powodując w nim uszkodzeń.
Mechanizm wzrostu kruchości związany jest z powstawaniem hybryd lub struktur
martenzytycznych wewnątrz materiału, niejednorodnym rozpuszczaniem się wodoru w strukturze

materiału (powstają lokalne miejsca o podwyższonej plastyczności, co osłabia całkowitą strukturę)
oraz dekohezją w wyniku osłabienia wiązań atomów. Czynnikiem przyśpieszającym chorobę
wodorową jest wewnętrzna struktura materiału ułatwiającą migrację wodoru.

Rys. 3 Przykład źle umiejscowionego,

nieizolowanego przewodu z zimnymi parami helu lub azotu, na którym może nastąpić kondensacja
powietrza

LITERATURA
[ 1 ] Bodio E.: Skraplarki i chłodziarki kriogeniczne; skrypt Politechniki Wrocławskiej, Wrocław,
1987
[2] Edeskuty F. J.: Stewart W. F.: Safety in the handling of cryogenic fl uids; Plenum Press, New York,
1996

[3] Weised II J. G.: Handbook of cryogenic engineering; Taylor & Francis, USA, 1998
[4] Praca zbiorowa: Mały poradnik mechanika; WNT, Warszawa, 1994
[5] Lebrun P.: Safety with inert cryogens - engineering approach; LHC Technical Seminar, CERN,
1998

autor: dr inż. hab. Maciej CHOROWSKI

źródło:

KONTAKT

Technika chłodnicza i klimatyzacyjna

Tel: [phone]
Adres:
Budowlanych 27
80-298 Gdańsk