As ligas de alumínio estão entre os poucos metais estruturais que se tornam mais fortes em vez de mais frágeis à medida que a temperatura cai para o zero absoluto. Esse comportamento os torna a escolha padrão para contenção de gás natural liquefeito, colunas de separação de ar, estruturas magnéticas supercondutoras e bancadas de testes criogênicos, onde o aço precisaria de classes de impacto-testadas e controle cuidadoso de transição-de temperatura. A razão está na estrutura cristalina e na forma como as discordâncias se movem quando a energia térmica está quase ausente.
Por que a estrutura cúbica-centrada na face é importante em baixas temperaturas
O alumínio tem uma rede cúbica-de face centrada com doze sistemas de deslizamento e não apresenta nenhuma transição dúctil-para-frágil do tipo encontrado em aços cúbicos-de corpo centrado. A redução da temperatura aumenta a tensão necessária para mover as discordâncias, ao mesmo tempo que deixa inalterado o número de sistemas de deslizamento disponíveis, de modo que o material endurece sem perder a capacidade de se deformar plasticamente. É por isso que um componente de alumínio pode ser temperado em nitrogênio líquido ou hélio líquido sem a perda repentina de tenacidade que acompanharia um aço ferrítico.
A alta condutividade térmica do alumínio atua na mesma direção: ele distribui o calor uniformemente através de um componente, limitando os gradientes térmicos locais que, de outra forma, gerariam altas tensões secundárias na parede de um vaso ou em uma escora de suporte.
Tendências de propriedades mecânicas abaixo de -150 graus
A maioria das ligas de alumínio ganha resistência à tração e ao escoamento à medida que a temperatura cai abaixo de -150 graus, enquanto o alongamento aumenta ou permanece essencialmente estável porque o movimento de discordância é suprimido e a deformação se espalha pela rede em vez de ser localizada.
A resistência à tração aumenta progressivamente até a temperatura do hélio líquido, com os maiores ganhos relativos nas famílias 5xxx e 1xxx.
O alongamento é mantido ou melhorado; a liga 5083, por exemplo, mantém mais de 20% de alongamento a -269 graus.
A sensibilidade do entalhe cai, de modo que as amostras de tração entalhadas apresentam menos penalidades em relação às amostras lisas do que à temperatura ambiente.
O crescimento de trincas por fadiga pode acelerar sob ciclos térmicos severos, portanto, a avaliação da fadiga térmica é necessária para componentes criogênicos carregados ciclicamente.
A resistência à fratura permanece alta, propriedade que qualifica a família de ligas para serviço de contenção.
Mudanças Metalúrgicas em Temperatura Criogênica
As mudanças interessantes são termodinâmicas e não estruturais. A solubilidade de elementos de liga como o magnésio cai drasticamente à medida que a temperatura diminui, de modo que qualquer soluto dissolvido está muito acima do seu limite de equilíbrio. Entretanto, a difusão é efetivamente congelada, de modo que o endurecimento por precipitação não pode prosseguir e o-envelhecimento excessivo não ocorre durante o serviço. Os efeitos práticos são:
Os átomos de soluto continuam a fixar discordâncias, o que é uma das razões pelas quais a resistência ao escoamento aumenta.
Processos-controlados por difusão, incluindo precipitação e recuperação, são suprimidos quase completamente.
Nenhuma transição dúctil-para{1}}frágil ocorre, ao contrário dos metais cúbicos-de corpo centrado.
A contração térmica deve ser levada em consideração no projeto, porque a contração do alumínio difere daquela do aço ou compósito ao qual ele é frequentemente aparafusado.
Essas características são o que permitem que o alumínio seja usado nos componentes estruturais de sistemas magnéticos supercondutores, onde um material não-magnético, dimensionalmente estável e termicamente condutor é necessário na temperatura do hélio líquido.
Seleção de Ligas para Serviço Criogênico
| Série | Comportamento criogênico | Uso típico |
|---|---|---|
| 5xxx (Al-Mg) | Excepcional tenacidade e retenção de ductilidade; 5083 mantém mais de 20% de alongamento a -269 graus | Tanques de GNL, navios criogênicos, estruturas soldadas |
| 6xxx (Al-Mg-Si) | Boa soldabilidade e resistência moderada; propriedades estáveis uma vez temperadas | Componentes e suportes de vasos criogênicos |
| 1xxx (alta pureza) | Condutividade muito alta com baixa resposta magnética | Componentes magnéticos supercondutores e peças criostáticas |
| 3xxx (Al-Mn) | Boa conformabilidade e resistência criogênica moderada | Aplicações de trocadores de calor e dutos |
A série 5xxx continua sendo o carro-chefe para contenção criogênica soldada porque combina resistência criogênica com uma têmpera não-tratável termicamente-que não é afetada pelo calor da soldagem. A seleção da liga é então refinada de acordo com os requisitos específicos de contração térmica e resistência do componente.
Regras de soldagem e fabricação para serviços criogênicos
A soldagem é onde o projeto criogênico falha com mais frequência, portanto a fabricação é controlada por procedimentos qualificados e não pelo julgamento do operador.
A seleção do metal de adição deve evitar rachaduras por solidificação; cargas de magnésio correspondentes ou ligeiramente superiores-são típicas para metal base 5xxx.
O risco de porosidade é controlado por meio de limpeza, gás de proteção seco e consumíveis{0}livres de umidade, já que a captação de hidrogênio é a principal fonte de porosidade da solda.
A expansão térmica incompatível entre a solda e a estrutura adjacente induz tensão residual, que é gerenciada por meio do projeto da junta, sequência de soldagem balanceada e pré-{0}}tensão quando necessário.
O tratamento térmico pós{0}}soldagem geralmente é evitado para trabalhos 5xxx porque oferece poucos benefícios e pode reduzir propriedades; para ligas-tratáveis termicamente, ele é controlado para que a têmpera não seja destruída.
A qualificação do procedimento segue um padrão de soldagem apropriado, como ISO 15614-2 ou ASME Seção IX, enquanto a própria placa de base é fornecida de acordo com ASTM B209 ou GB/T 3880.
A verificação de impacto e tenacidade é realizada à temperatura de serviço e não à temperatura ambiente.
Perguntas frequentes
P: Por que as ligas de alumínio não se tornam quebradiças à temperatura criogênica?
Sua estrutura cúbica-centrada na face mantém doze sistemas de deslizamento ativos conforme a temperatura cai, de modo que o metal endurece sem a transição dúctil-para{2}}frágil observada em aços cúbicos-centrados no corpo.
P: Qual liga de alumínio é mais amplamente utilizada para contenção de GNL?
A liga 5083 é o material de referência: ela retém mais de 20% de alongamento a -269 graus, solda sem problemas de têmpera tratável termicamente e mantém alta tenacidade à fratura na temperatura de serviço.
P: A resistência aumenta quando o alumínio é resfriado abaixo de -150 graus?
Sim. A resistência à tração e ao escoamento aumentam progressivamente à medida que a temperatura cai, impulsionada pelo aumento da resistência ao movimento de discordância, e a ductilidade é normalmente retida ou melhorada ao mesmo tempo.
P: O alumínio pode ser soldado para recipientes criogênicos sem tratamento térmico pós{0}}soldagem?
Para ligas 5xxx, o tratamento térmico pós{1}}soldagem geralmente é desnecessário e evitado, mas o procedimento de soldagem ainda precisa ser qualificado de acordo com um padrão reconhecido para controlar porosidade, trincas e tensão residual.
P: Qual é o principal risco de projeto em estruturas criogênicas de alumínio?
Incompatibilidade de contração térmica contra estrutura adjacente de aço ou compósito, o que gera tensões residuais e secundárias, juntamente com o crescimento de trincas por fadiga sob repetidos ciclos térmicos.
P: Por que o alumínio 1xxx de alta-pureza é usado em sistemas supercondutores?
Ele combina alta condutividade térmica com baixa resposta magnética e permanece dúctil à temperatura do hélio líquido, o que se adapta aos componentes estruturais do criostato e do ímã.
