アルミニウム合金は、温度が絶対零度に近づくにつれて脆くなるのではなく、より強くなる数少ない構造金属の 1 つです。この動作により、これらの鋼材は、液化天然ガスの格納容器、空気分離カラム、超電導磁石構造、極低温試験装置でのデフォルトの選択肢となっています。これらの鋼材では、衝撃-試験済みの鋼種と慎重な移行温度制御-が必要です。その理由は、結晶構造と、熱エネルギーがほとんどないときの転位の動き方にあります。
低温において面心立方構造が重要な理由-
アルミニウムには 12 の滑りシステムを備えた面心立方格子があり、体心立方体鋼に見られるような延性から脆性への移行は見られません。{{0}温度を下げると、利用可能な滑りシステムの数は変化しないまま、転位を移動するのに必要な応力が上昇するため、材料は塑性変形する能力を失うことなく硬化します。これが、アルミニウム部品を液体窒素または液体ヘリウム中で急冷しても、フェライト鋼に伴うような突然の靭性の損失が起こらない理由です。
アルミニウムの高い熱伝導率は同じ方向に働き、部品全体に熱を均一に分散させ、容器の壁や支柱に高い二次応力を発生させる局所的な熱勾配を制限します。
-150 度以下の機械的特性の傾向
ほとんどのアルミニウム合金は、温度が -150 度以下に低下すると引張強度と降伏強度が向上しますが、転位の動きが抑制され、変形が局所的ではなく格子全体に広がるため、伸びは増加するか、基本的に安定したままになります。
引張強度は液体ヘリウム温度まで徐々に上昇し、5xxx および 1xxx ファミリで相対的に最大の増加が見られます。
伸びが維持または改善されます。たとえば合金 5083 は、-269 度で 20% 以上の伸びを維持します。
ノッチの感度が低下するため、ノッチ付き引張試験片は室温よりも滑らかな試験片に比べてペナルティが少なくなります。
疲労亀裂の成長は厳しい熱サイクル下で加速する可能性があるため、周期的に負荷がかかる極低温コンポーネントには熱疲労評価が必要です。
破壊靱性は高いままであり、これがこの合金ファミリーの封じ込め用途に適格である特性です。
極低温における冶金学的変化
興味深い変化は構造的というよりは熱力学的なものです。マグネシウムなどの合金元素の溶解度は温度が低下すると急激に低下するため、溶解した溶質は平衡限界をはるかに超えます。ただし、拡散は実質的に凍結するため、析出硬化が進行せず、使用中に過時効が発生することはありません。-実際の効果は次のとおりです。
溶質原子は転位を固定し続けます。これが降伏強度が上昇する理由の 1 つです。
拡散-によって制御されるプロセス（沈殿や回復など）は、ほぼ完全に抑制されます。
体心立方体金属とは異なり、延性-から-脆性への転移は起こりません。-
アルミニウムの収縮は、ボルトで固定されることが多いスチールや複合材料の収縮とは異なるため、設計では熱収縮を考慮する必要があります。
これらの特性により、超電導磁石システムの構造部品にアルミニウムを使用できます。超電導磁石システムでは、液体ヘリウム温度で非磁性で寸法安定性があり、熱伝導性の高い材料が必要となります。{0}}
極低温サービス向けの合金の選択
| シリーズ | 極低温挙動 | 一般的な使用方法 |
|---|---|---|
| 5xxx (Al-Mg) | 優れた靭性と延性の保持。 5083 は -269 度でも 20% 以上の伸びを維持 | LNGタンク、極低温容器、溶接構造物 |
| 6xxx (Al-Mg-Si) | 良好な溶接性と適度な強度。焼き戻し後は特性が安定 | 極低温容器のコンポーネントとサポート |
| 1xxx (高純度) | 非常に高い導電性と低い磁気応答 | 超電導マグネット部品およびクライオスタット部品 |
| 3xxx (Al-Mn) | 良好な成形性と適度な極低温強度 | 熱交換器およびダクトの用途 |
5xxx シリーズは、極低温靱性と、溶接熱の影響を受けない非熱処理可能な質を兼ね備えているため、溶接極低温封じ込めの主力製品であり続けています。合金の選択は、コンポーネントの特定の熱収縮と強度の要件に合わせて調整されます。
極低温サービスのための溶接および製造ルール
溶接は極低温設計が失敗することが最も多い場所であるため、製造はオペレーターの判断ではなく、資格のある手順によって管理されます。
溶加材の選択は凝固亀裂を防止する必要があります。 5xxx ベースメタルには、同等以上のマグネシウム フィラーが一般的です。-
溶接気孔率の主な原因は水素の吸収であるため、気孔率のリスクは、清浄度、乾燥したシールド ガス、湿気のない消耗品によって制御されます。{0}}
溶接部と隣接する構造間の熱膨張が一致しないと残留応力が生じますが、これは接合部の設計、バランスのとれた溶接シーケンス、必要に応じて予ひずみによって管理されます。{0}}
-溶接後の熱処理は、メリットがほとんどなく、特性が低下する可能性があるため、5xxx 作業では通常避けられます。熱処理可能な合金の場合、焼き戻しが破壊されないように制御されます。-
手順の認定は ISO 15614-2 や ASME セクション IX などの適切な溶接規格に従いますが、ベース プレート自体は ASTM B209 または GB/T 3880 に供給されます。
衝撃および靱性の検証は、室温ではなく使用温度で行われます。
よくある質問
Q: アルミニウム合金はなぜ極低温でも脆くならないのですか?
面心立方格子は、温度が低下しても 12 の滑りシステムを活性状態に保ちます。そのため、体心立方体鋼に見られる延性から脆性への移行が起こらずに金属が硬化します。{{0}
Q: LNG の封じ込めに最も広く使用されているアルミニウム合金はどれですか?
合金 5083 は基準材料です。-269 度で 20% 以上の伸びを保持し、熱処理による焼き戻しの問題なく溶接でき、使用温度で高い破壊靱性を維持します。
Q: アルミニウムを-150度以下に冷却すると強度は上がりますか?
はい。引張強さと降伏強さは、温度が低下するにつれて、転位運動に対する抵抗の増加によって徐々に上昇し、通常、延性は同時に維持または向上します。
Q: 溶接後の熱処理を行わずに極低温容器用にアルミニウムを溶接できますか?{0}}
5xxx 合金の場合、-溶接後の熱処理は一般に不要であり、避けられますが、溶接手順は、気孔率、亀裂、残留応力を制御するために認められた規格に準拠する必要があります。
Q: 極低温アルミニウム構造における主な設計リスクは何ですか?
隣接する鋼材または複合材構造に対する熱収縮の不一致により、熱サイクルが繰り返されると疲労亀裂の成長とともに残留応力と二次応力が発生します。
Q: 高純度 1xxx アルミニウムが超電導システムに使用されるのはなぜですか?{0}
高い熱伝導率と低い磁気応答を兼ね備え、液体ヘリウム温度でも延性を維持するため、クライオスタットや磁石の構造コンポーネントに適しています。
