Le leghe di alluminio sono tra i pochi metalli strutturali che diventano più resistenti anziché più fragili quando la temperatura scende verso lo zero assoluto. Questo comportamento li rende la scelta predefinita per il contenimento del gas naturale liquefatto, le colonne di separazione dell'aria, le strutture magnetiche superconduttrici e i banchi di prova criogenici, dove l'acciaio avrebbe bisogno di gradi -prova di impatto e di un attento controllo della temperatura di transizione-. Il motivo risiede nella struttura cristallina e nel modo in cui si muovono le dislocazioni quando l'energia termica è quasi assente.
Perché la struttura cubica centrata sulla faccia è importante alle basse temperature
L'alluminio ha un reticolo cubico a facce-centrato con dodici sistemi di scorrimento e non mostra alcuna transizione da duttile-a-fragile del tipo riscontrato negli acciai cubici a corpo-centrato. L'abbassamento della temperatura aumenta lo stress necessario per spostare le dislocazioni lasciando invariato il numero di sistemi di scorrimento disponibili, quindi il materiale indurisce senza perdere la capacità di deformarsi plasticamente. Questo è il motivo per cui un componente in alluminio può essere raffreddato in azoto liquido o elio liquido senza l'improvvisa perdita di tenacità che accompagnerebbe un acciaio ferritico.
L'elevata conduttività termica dell'alluminio funziona nella stessa direzione: distribuisce il calore in modo uniforme attraverso un componente, limitando i gradienti termici locali che altrimenti genererebbero elevate sollecitazioni secondarie in una parete del serbatoio o in un puntone di supporto.
Tendenze delle proprietà meccaniche inferiori a -150 gradi
La maggior parte delle leghe di alluminio guadagna resistenza alla trazione e allo snervamento quando la temperatura scende sotto i -150 gradi, mentre l'allungamento aumenta o rimane sostanzialmente stabile perché il movimento di dislocazione viene soppresso e la deformazione si diffonde attraverso il reticolo anziché localizzarsi.
La resistenza alla trazione aumenta progressivamente fino alla temperatura dell'elio liquido, con i maggiori guadagni relativi nelle famiglie 5xxx e 1xxx.
L'allungamento viene mantenuto o migliorato; la lega 5083, ad esempio, mantiene un allungamento superiore al 20% a -269 gradi.
La sensibilità all'intaglio diminuisce, quindi i provini a trazione intagliati mostrano meno penalità rispetto ai provini lisci rispetto a quelli a temperatura ambiente.
La crescita delle cricche da fatica può accelerare in caso di cicli termici severi, pertanto è necessaria una valutazione della fatica termica per i componenti criogenici caricati ciclicamente.
La resistenza alla frattura rimane elevata, proprietà che qualifica la famiglia delle leghe per il servizio di contenimento.
Cambiamenti metallurgici a temperatura criogenica
I cambiamenti interessanti sono termodinamici piuttosto che strutturali. La solubilità degli elementi leganti come il magnesio diminuisce drasticamente al diminuire della temperatura, quindi qualsiasi soluto disciolto è molto al di sopra del limite di equilibrio. Tuttavia, la diffusione viene effettivamente congelata, pertanto l'indurimento dovuto alle precipitazioni non può procedere e non si verifica un-invecchiamento eccessivo durante il servizio. Gli effetti pratici sono:
Gli atomi di soluto continuano a creare dislocazioni, che è una delle ragioni per cui la resistenza allo snervamento aumenta.
I processi controllati dalla diffusione-, compresi la precipitazione e il recupero, vengono soppressi quasi completamente.
Non si verifica alcuna transizione da duttile-a-fragile, a differenza dei metalli cubici a corpo-centrato.
La contrazione termica deve essere presa in considerazione nella progettazione, perché la contrazione dell'alluminio è diversa da quella dell'acciaio o del materiale composito a cui è spesso imbullonato.
Queste caratteristiche consentono di utilizzare l'alluminio per i componenti strutturali dei sistemi magnetici superconduttori, dove è necessario un materiale non-magnetico, dimensionalmente stabile e termicamente conduttivo alla temperatura dell'elio liquido.
Selezione delle leghe per il servizio criogenico
| Serie | Comportamento criogenico | Utilizzo tipico |
|---|---|---|
| 5xxx (Al-Mg) | Eccezionale tenacità e mantenimento della duttilità; 5083 mantiene più del 20% di allungamento a -269 gradi | Serbatoi GNL, recipienti criogenici, strutture saldate |
| 6xxx (Al-Mg-Si) | Buona saldabilità e resistenza moderata; proprietà stabili una volta temperato | Componenti e supporti di recipienti criogenici |
| 1xxx (elevata purezza) | Conduttività molto elevata con bassa risposta magnetica | Componenti di magneti superconduttori e parti del criostato |
| 3xxx (Al-Mn) | Buona formabilità e resistenza criogenica moderata | Applicazioni per scambiatori di calore e canalizzazioni |
La serie 5xxx rimane il cavallo di battaglia per il contenimento criogenico saldato perché combina la tenacità criogenica con uno stato non-termo-trattabile che non viene influenzato dal calore della saldatura. La selezione della lega viene quindi perfezionata in base ai requisiti specifici di contrazione termica e resistenza del componente.
Regole di saldatura e fabbricazione per il servizio criogenico
La saldatura è il luogo in cui la progettazione criogenica più spesso fallisce, quindi la fabbricazione è controllata da procedure qualificate piuttosto che dal giudizio dell'operatore.
La scelta del metallo d'apporto deve prevenire la fessurazione da solidificazione; riempitivi di magnesio corrispondenti o leggermente superiori-sono tipici del metallo base 5xxx.
Il rischio di porosità è controllato attraverso la pulizia, il gas di protezione asciutto e i materiali di consumo-privi di umidità, poiché l'accumulo di idrogeno è la principale fonte di porosità della saldatura.
L'espansione termica non corrispondente tra la saldatura e la struttura adiacente induce stress residuo, che viene gestito attraverso la progettazione del giunto, una sequenza di saldatura bilanciata e la pre-deformazione dove richiesto.
Il trattamento termico post-saldatura viene solitamente evitato per i lavori 5xxx perché offre scarsi vantaggi e può ridurre le proprietà; per le leghe trattabili termicamente-è controllato in modo che la tempra non venga distrutta.
La qualificazione della procedura segue uno standard di saldatura appropriato come ISO 15614-2 o ASME Sezione IX, mentre la piastra di base stessa viene fornita secondo ASTM B209 o GB/T 3880.
La verifica dell'impatto e della tenacità viene eseguita alla temperatura di servizio, non a temperatura ambiente.
Domande frequenti
D: Perché le leghe di alluminio non diventano fragili alla temperatura criogenica?
Il loro reticolo cubico a faccia-centrato mantiene attivi dodici sistemi di scorrimento quando la temperatura diminuisce, quindi il metallo si indurisce senza la transizione da duttile-a-fragile osservata negli acciai cubici a corpo-centrato.
D: Quale lega di alluminio è più utilizzata per il contenimento del GNL?
La lega 5083 è il materiale di riferimento: mantiene più del 20% di allungamento a -269 gradi, si salda senza problemi di rinvenimento trattabile termicamente e mantiene un'elevata resistenza alla frattura alla temperatura di servizio.
D: La resistenza aumenta quando l'alluminio viene raffreddato al di sotto di -150 gradi?
SÌ. La resistenza alla trazione e allo snervamento aumentano progressivamente al diminuire della temperatura, spinti da una maggiore resistenza al movimento delle dislocazioni, e la duttilità viene normalmente mantenuta o migliorata allo stesso tempo.
D: È possibile saldare l'alluminio per recipienti criogenici senza trattamento termico post-saldatura?
Per le leghe 5xxx il trattamento termico post-saldatura generalmente non è necessario e viene evitato, ma la procedura di saldatura deve comunque essere qualificata secondo uno standard riconosciuto per controllare la porosità, le fessurazioni e lo stress residuo.
D: Qual è il principale rischio progettuale nelle strutture criogeniche in alluminio?
Disadattamento della contrazione termica rispetto alla struttura adiacente in acciaio o composita, che genera tensioni residue e secondarie, insieme alla crescita di crepe da fatica sotto ripetuti cicli termici.
D: Perché l'alluminio 1xxx ad elevata-purezza viene utilizzato nei sistemi superconduttori?
Combina un'elevata conduttività termica con una bassa risposta magnetica e rimane duttile alla temperatura dell'elio liquido, adattandosi ai componenti strutturali del criostato e del magnete.
