Mechanische eigenschappen van RVS bij temperaturen onder nul

Alle constructiemetalen ondergaan verandering van hun eigenschappen als ze worden afgekoeld van kamertemperatuur tot temperaturen onder 0°C De grootste veranderingen van hun eigenschappen treden op als het metaal wordt gekoeld tot zeer lage temperaturen in de buurt van de kookpunten van vloeibaar waterstof en van vloeibaar helium. Maar zelfs bij minder lage temperaturen onder het nulpunt zoals worden aangetroffen in poolgebieden, waar de laagste gemeten temperatuur -71°C bedroeg, wordt koolstofstaal bros.

Inleiding

Om brosse breuk van constructies, drukvaten en vervoermiddelen in koude regionen te vermijden moeten materialen worden gebruikt die een hoge mate van kerftaaiheid en breuktaaiheid bij zulke lage temperaturen bezitten. De effecten van temperaturen onder nul moeten ook worden beschouwd bij de keuze van materialen voor vliegtuigen, raketten en ruimtevoertuigen die worden blootgesteld aan de temperaturen die heersen op grote hoogte en in de ruimte. Voor deze constructies geldt een 'gewichtslimiet', dus moeten ze worden gemaakt van materiaal met hoge sterkte-gewichtsverhoudingen, zowel bij kamertemperatuur als bij temperaturen onder nul. Tegelijkertijd wordt van deze materialen geëist dat ze hoge breuktaaiheidsniveaus blijven behouden bij elke temperatuur. Bepaalde koudvervormde roestvast-staaltypen zijn met succes toegepast voor zulke in hun gewicht begrensde constructies.
 

Materiaaleisen

Een belangrijke eis die wordt gesteld aan materiaal voor apparatuur voor het vloeibaar maken, het opslaan en vervoeren van vloeibaar gemaakte koolwaterstofgassen en vloeibaar gemaakte elementaire gassen is taaiheid bij het kookpunt van de vloeistof. Tabel 1 geeft een overzicht van een aantal gassen en hun kookpunt.
Temperaturen beneden -150°C worden dikwijls aangeduid als cryogene temperaturen. Materiaalkeuze is afhankelijk van de laagste bedrijfstemperatuur die op kan treden. Austenitisch roestvast staal is met succes toegepast voor apparatuur voor het vloeibaar maken, opslaan en transport van deze vloeistoffen. Voor gelaste apparatuur zoals voor tanks voor vloeibaar zuurstof, vloeibaar waterstof en vloeibaar helium met de bijbehorende pijpen en fittingen zijn de eisen bij de materiaalkeuze nog veel kritischer. Enkele van die eisen zijn
hoge taaiheid van het basismetaal bij cryogene temperaturen en hoge sterkte en taaiheid van de las. Ook hier is met succes gebruik gemaakt van koudvervormd roestvast staal. Bepaalde metalen, legeringen en verbindingen worden supergeleidend bij temperaturen onder -260°C. Om dergelijke temperaturen te bereiken, moet er worden gekoeld met vloeibaar helium. Daarom moeten constructiematerialen die zijn gekozen voor cryogene onderdelen van supergeleidende toestellen, magneten en geleidingssystemen geschikt zijn voor gebruik bij vloeibaar-heliumtemperatuur. Zulke onderdelen worden voorts tijdens gebruik onderworpen aan hoge bedrijfsspanningen en er moet dus materiaal worden gekozen met voldoende sterkte en taaiheid om ze het hoofd te kunnen bieden. Om over zulke sterkte en taaiheid te kunnen beschikken alsmede over een redelijke mate van bewerkbaarbeid worden voor dit doel vaak bepaalde austenitische roestvast-staaltypen toegepast.




Tabel1. Kookpunten van vloeibaargemaakte gassen.


In het algemeen nemen de rekgrens en treksterkte van constructielegeringen toe als de temperatuur waaraan ze
worden blootgesteld daalt. De rekgrens van sommige typen austenitisch roestvast staal is bij -78°C wat lager
dan bij kamertemperatuur, maar deze stijgt weer bij een verdere daling van de temperatuur. Resultaten van trekproeven bij vloeibaar-heliumtemperatuur kunnen lichte dalingen in rekgrens en treksterkte te zien geven bij sommige legeringen in vergelijking met deze waarden bij -253°C. Dit effect kan een werkelijke trend zijn in de
trekeigenschappen maar het kan ook een van de eigenaardigheden zijn die gepaard gaan met het beproeven in
vloeibaar helium. Het verschijnsel van op en neer gaande rekgrens treedt bij veel metalen op tijdens plastisch vervormen bij -253°C en bij -269°C en is duidelijker naarmate de testtemperatuur lager is. Het wordt  gekaraktiseerd door op bepaalde punten van het proefstuk onderbroken plastisch rekken tijdens belasting en
het kan leiden tot spreiding in de meetwaarden van rekgrens en treksterkte.
 

Austenitisch roestvast staal

Austenitisch roestvast staal is uitgebreid toegepast bij temperaturen tot -269°C. Deze staalsoort bevat voldoende
hoeveelheden nikkel en mangaan om de temperatuur waarbij de vorming van martensiet begint (Ms) tot onder het nulpunt te doen dalen. Het behoudt dus de vlakken-gecentreerde kubische kristalstructuur bij koelen vanaf warmbewerkings-of zachtgloeitempera turen. Als de testtemperatuur wordt verlaagd nemen de rekgrens en
treksterkte van austenitisch roestvast staal aanzienlijk toe en deze staalsoort behoudt goede vervormbaarbeid
en taaiheid bij -269°C. De meeste austenitische roestvaststaaltypen zijn zonder meer lasbaar, maar bij sommige
veroorzaakt de laswarmte sensitisatie die de corrosieweerstand in de laszone verlaagt (interkristallijne corrosie). Koudwalsen of koudtrekken verhoogt de sterkte van austenitisch roestvast staal. Koudvervormen bij -196°C is effectiever in het verhogen van de sterkte dan koudvervormen bij kamertemperatuur. Bij instabiele
austenitische roestvast-staaltypen zoals 301 , 304, en 304L veroorzaakt plastische vervorming bij temperaturen
onder nul gedeeltelijke omzetting in martensiet, hetgeen de sterkte verhoogt. Voor sommige cryogene toepassingen is het wenselijk om een stabiel type te nemen zoals 310.



De typen 301 en 310 zijn toegepast in de vorm van extra-hard koudgewalste plaat voor hoge sterkte voor
toepassingen als vloeibaar-zuurstoftanks en vloeibaarwaterstoftanks van de Atlas-en Centaur-raketten.
Verbindingen werden gemaakt met stompe fusielassen en parallel aan de lassen werden verstijvingsstrips aangebracht met behulp van puntlassen. Bij een andere methode om hoog-sterke cilindrische tanks te bouwen werden geprefabriceerde gelaste tanks gemaakt van zachtgegloeid roestvast staal type 301, door dit in een
cilindrische mal te plaatsen, deze onder te dompelen in vloeibaar stikstof en het in de mal te expanderen tot zijn
cilindrische vorm. De mate van versteviging hangt af van de hoeveelheid plastische vervorming die optreedt bij het tot cilinder persen. Versteviging is het resultaat van het dubbele effect van koudvervormen van het austenitisch roestvast staal en van de gedeeltelijke omzetting van austeniet in martensiet. Het austenitisch roestvast-staaltype 304 wordt gewoonlijk in zachtgegloeide toestand gebruikt voor buizen, pijpen en afsluiters voor het transport van cryogene stoffen, voor Dewar-vaten en opslagtanks en voor constructieonderdelen waarvoor geen hoge sterkte wordt geëist. De typen 310 en 310S worden als metallurgisch stabiel beschouwd voor alle cryogene blootstellingscondities. Deze typen worden dan ook gebruikt voor onderdelen waarvoor maximum stabiliteit en een hoge mate van taaiheid bij cryogene temperatuur worden geëist. Type 316 is minder stabiel dan type 310, maar trekstaven van 316 die werden getrokken tot 0,2% blijvende rek bij -269°C vertoonden geen teken van martensiet vorming in de gedeformeerde delen. Als trekstaven van 316 echter tot breuk werden getrokken bij -269°C dan bleek in de breukgebieden zo'n 50% martensiet te zijn ontstaan. Roestvast staal van het type 316 is een belangrijke kandidaat voor constructiedelen van supergeleidende en magnetische fusieapparatuur.

Mangaan

Voor onderdelen van cryogene constructies met hogere sterkte zijn er verscheidene typen roestvast staal die
significante hoeveelheden mangaan bevatten die een bepaalde hoeveelheid nikkel vervangen, tezamen met kleine hoeveelheden stikstof en andere elementen die de mechanische sterkte verhogen. Zulke typen zijn 21-6-9, Pyromet 538®, Nitronic 40®, Nitronic 60® en Kromare 58®.

Roestvast-gietstaal

Roestvast-gietstaaltypen zoals weergegeven in tabel 1 worden toegepast voor bellenkamers, voor cilindrische magneetbuizen voor supergeleidende magneten, voor afsluiterhuizen en voor andere onderdelen die worden gekoeld tot -269°C tijdens gebruik. Voor zulke toepassingen is gietwerk geschikter dan gesmede produkten.

Trekeigenschappen

Tabel 2 geeft typische trekeigenschappen van austenitisch roestvast staal uit de AISI 300-reeks bij kamertemperatuur en bij temperaturen onder nul. Tabel 3 geeft trekeigenschappen van austenitisch roestvast staal uit de AISI 300-reeks in koudvervormde toestand. Koudvervormen verhoogt rekgrens en treksterkte aanzienlijk en reduceert de vervormbaarheid, maar de vervormbaarbeid en kerfslagtaaiheid van de koudvervormde legering zijn dikwijls voldoende voor cryogene toepassingen. Tabel4 geeft treksterkten van andere roestvast-staaltypen. Het sterkste effect van de stikstoftoevoeging is het geven van een hogere rekgrens bij cryogene temperaturen. Kromare 58® is toegepast voor verscheidene constructietoepassingen in prototypen van supergeleidende generatoren. Andere met stikstof versterkte roestvaststaaltypen hebben vergelijkbare eigenschappen. De gegevens voor koudbewerkte AISI 202 en Kromare-plaat laten zien zien hoe deze legeringen kunnen worden verstevigd door koudvervormen hetgeen resulteert in verlaagde vervormbaarheid. Oplosgloeiing en veroudering van de legering A-286 geeft goede sterkte met goede vervormbaarbeid en kerfslagtaaiheid in het cryogene bereik. Vanwege zijn lage vervormbaarbeid wordt legering AISI 416 niet aanbevolen voor gebruik beneden -196°C, behalve in onbelaste toepassingen. Tabel 5 geeft resultaten van trekproeven op roestvaststaallassen bij temperaturen onder nul, die significant kunnen zijn bij het kiezen van roestvast staal voor cryogene toepassingen. Van zachtgegloeide plaat in de gelaste toestand heeft Kromare 58® de gunstigste eigenschappen van alle in tabel 5 vermelde legeringen. De treksterkte van A-286-lassen kan worden verhoogd door verouderingsharden. Er is echter een aanzienlijk voordeel in de mogelijkheid om lassen in de gelaste toestand te gebruiken, zoals dat mogelijk is met lassen in Kromarc. Bovendien is Kromare niet zo moeilijk te lassen als A-286.



Tabel 2. Roestvast-staaltypen voor cryogeen gebruik.


Tabel 3. Kenmerkende trekeigenschappen van zachtgegloeide austenitisch roestvast-staaltypen uit de 300-reeks.


Tabel 4. Kenmerkende trekeigenschappen van koudvervormde austenitischroestvast-staalplaat uit de 300-reeks.


Tabel 5. Kenmerkende trekeigenschappen van lassen in austenitisch roestvast staal.


Trekeigenschappen van roestvast gietstaal bij temperaturen onder nul zijn opgesomd in tabel 6. Deze gegevens laten zien dat de legeringen CF8 en CF8M beschikken over een rekgrens bij temperaturen onder nul die vergelijkbaar zijn met die van kneedlegeringen. Rekgrens en treksterkte van gegoten Kromare 55® zijn echter aanzienlijk lager dan die van de kneedlegering Kromare 58 ®. Resultaten van ultrasone bepaling van elasticiteitsmodulus en Poissonverhouding van vier roestvast-staaltypen zijn weergegeven op de afbeeldingen 1 en 2 en kunnen dienen als aanvullende gegevens.




Tabel 6. Kenmerkende trekeigenschappen van roestvast gietstaal.


Afbeelding 1. Ultrasoon bepaalde E-moduluswaarden van vier typen austenitisch roestvast staal.


Afbeelding 2. Ultrasoon bepaalde Poissonverhoudingen van vier typen austenitisch roestvast staal

Kerfslagtaaiheid

Gegevens betreffende kerfslagtaaiheid van roestvast staal zijn schaars omdat staal van het soort dat geschikt is voor gebruik bij cryogene temperaturen over een grote taaiheid beschikt. De kerfslagtaaiheidsgegevens die beschikbaar zijn zijn verkregen via de J-integraalmethode en omgezet in KIC(J)-waarden. Zulke gegevens voor basismetaal en lassen zijn opgesomd in tabel 7. Kerfslagtaaiheid van basismetaal is betrekkelijk hoog, zelfs bij -269°C. Kerfslagtaaiheid van fusiezones van lassen kunnen hoger of lager zijn dan die van het basismetaal.



Tabel 7. Breuktaaiheid van AISI 3105 basismetaal en lasmetaal.

Vermoeiingsscheursnelheden

De vermoeiingsscheursnelheden van het basismetaal zijn in het algemeen hoger bij kamertemperatuur dan bij temperaturen onder nul, of ongeveer gelijk bij kamertemperatuur en bij temperaturen onder nul, met uitzondering van het type 21-6-9. Voor 21-6-9 geldt dat de vermoeiingsscheursnelheden bij -269°C hoger zijn dan bij kamertemperatuur. De vermoeiingsscheursnelheden bij kamertemperatuur en bij temperaturen onder nul, bij
dezelfde waarden van ΔK, zijn nagenoeg hetzelfde. Vermoeiingsscheursnelheden in de fusiezones van lassen neigen naar hogere waarden dan in het basismetaaL

Vermoeiingssterkte

Resultaten van buigings-en axiale vermoeiingsproeven bij 106 wisselingen met austenitisch roestvast staal bij kamertemperatuur en bij temperaturen onder nul zijn vermeld in tabel 8. De vermoeiingssteekte neemt toe bij afnemende expositietemperatuur. Gekerfde proefstukken bezitten aanzienlijk lagere vermoeiingssterkten dan overeenkomstige ongekerfde proefstukken bij alle beproevingstemperaturen. Gladder maken van ongekerfde proefstukken verbetert de vermoeiingssterkte.



Tabel 8. Resultaten van vermoeiingsproeven op een aantal typen austenitisch roestvast staal.


Pyromet is een gedeponeerd handelsmerk van Carpenter Technology Corporation.
Nytronic is een gedeponeerd handelsmerk van Armco International.
Kromare is een gedeponeerd handelsmerk van Westinghouse Specialty Metals.