Las aleaciones de aluminio se encuentran entre los pocos metales estructurales que se vuelven más fuertes en lugar de más quebradizos a medida que la temperatura desciende hacia el cero absoluto. Ese comportamiento los convierte en la opción predeterminada para la contención de gas natural licuado, columnas de separación de aire, estructuras magnéticas superconductoras y bancos de pruebas criogénicas, donde el acero necesitaría grados-probados contra impactos y un control cuidadoso de la temperatura de transición-. La razón está en la estructura cristalina y en la forma en que se mueven las dislocaciones cuando la energía térmica está casi ausente.
Por qué es importante la estructura cúbica centrada en las caras-a baja temperatura
El aluminio tiene una red cúbica centrada en la cara-con doce sistemas de deslizamiento y no muestra ninguna transición dúctil-a-frágil como la que se encuentra en los aceros cúbicos centrados en el cuerpo. La reducción de la temperatura aumenta la tensión necesaria para mover las dislocaciones y deja sin cambios el número de sistemas de deslizamiento disponibles, por lo que el material se endurece sin perder la capacidad de deformarse plásticamente. Esta es la razón por la que un componente de aluminio se puede templar en nitrógeno líquido o helio líquido sin la pérdida repentina de tenacidad que acompañaría a un acero ferrítico.
La alta conductividad térmica del aluminio funciona en la misma dirección: distribuye el calor uniformemente a través de un componente, limitando los gradientes térmicos locales que de otro modo generarían altas tensiones secundarias en la pared de un recipiente o en un puntal de soporte.
Tendencias de propiedades mecánicas por debajo de -150 grados
La mayoría de las aleaciones de aluminio ganan resistencia a la tracción y al límite elástico a medida que la temperatura cae por debajo de -150 grados, mientras que el alargamiento aumenta o se mantiene esencialmente estable porque se suprime el movimiento de dislocación y la deformación se propaga a través de la red en lugar de localizarse.
La resistencia a la tracción aumenta progresivamente hasta la temperatura del helio líquido, con las mayores ganancias relativas en las familias 5xxx y 1xxx.
Se conserva o mejora el alargamiento; La aleación 5083, por ejemplo, mantiene más del 20% de alargamiento a -269 grados.
La sensibilidad a la entalla disminuye, por lo que las muestras tensadas con entallas muestran menos penalización en relación con las muestras lisas que a temperatura ambiente.
El crecimiento de grietas por fatiga puede acelerarse bajo ciclos térmicos severos, por lo que se requiere una evaluación de la fatiga térmica para los componentes criogénicos cargados cíclicamente.
La tenacidad a la fractura sigue siendo alta, que es la propiedad que califica a la familia de aleaciones para el servicio de contención.
Cambios metalúrgicos a temperatura criogénica
Los cambios interesantes son termodinámicos más que estructurales. La solubilidad de elementos de aleación como el magnesio cae bruscamente a medida que disminuye la temperatura, por lo que cualquier soluto disuelto está muy por encima de su límite de equilibrio. Sin embargo, la difusión se congela efectivamente, por lo que el endurecimiento por precipitación no puede continuar y no se produce sobre-envejecimiento durante el servicio. Los efectos prácticos son:
Los átomos de soluto continúan provocando dislocaciones, lo cual es una de las razones por las que aumenta el límite elástico.
Los procesos controlados por difusión-, incluidas la precipitación y la recuperación, se suprimen casi por completo.
No se produce ninguna transición dúctil-a-frágil, a diferencia de lo que ocurre con los metales cúbicos centrados en el cuerpo-.
La contracción térmica debe tenerse en cuenta en el diseño, porque la contracción del aluminio difiere de la del acero o el compuesto al que suele estar atornillado.
Estas características son las que permiten utilizar el aluminio para los componentes estructurales de los sistemas magnéticos superconductores, donde se necesita un material no-magnético, dimensionalmente estable y térmicamente conductor a la temperatura del helio líquido.
Selección de aleaciones para servicio criogénico
| Serie | Comportamiento criogénico | Uso típico |
|---|---|---|
| 5xxx (Al-Mg) | Excepcional retención de tenacidad y ductilidad; 5083 mantiene más del 20 % de elongación a -269 grados | Tanques de GNL, recipientes criogénicos, estructuras soldadas. |
| 6xxx (Al-Mg-Si) | Buena soldabilidad y resistencia moderada; propiedades estables una vez templado | Componentes y soportes de recipientes criogénicos. |
| 1xxx (alta pureza) | Muy alta conductividad con baja respuesta magnética. | Componentes de imanes superconductores y piezas de criostato. |
| 3xxx (Al-Mn) | Buena conformabilidad y resistencia criogénica moderada. | Aplicaciones de intercambiadores de calor y conductos. |
La serie 5xxx sigue siendo el caballo de batalla para la contención criogénica soldada porque combina dureza criogénica con un temperamento no-calor-tratable que no se ve afectado por el calor de la soldadura. Luego, la selección de la aleación se refina según los requisitos específicos de contracción térmica y resistencia del componente.
Reglas de soldadura y fabricación para servicio criogénico
La soldadura es donde el diseño criogénico falla con mayor frecuencia, por lo que la fabricación se controla mediante procedimientos calificados en lugar del criterio del operador.
La selección del metal de aportación debe evitar el agrietamiento por solidificación; Los rellenos de magnesio iguales o ligeramente superiores-son típicos del metal base 5xxx.
El riesgo de porosidad se controla mediante limpieza, gas protector seco y consumibles libres de humedad-, ya que la captación de hidrógeno es la principal fuente de porosidad de la soldadura.
La expansión térmica no coincidente entre la soldadura y la estructura adyacente induce tensión residual, que se gestiona mediante el diseño de la junta, una secuencia de soldadura equilibrada y una pre-deformación cuando sea necesario.
El tratamiento térmico posterior-a la soldadura generalmente se evita para trabajos 5xxx porque ofrece pocos beneficios y puede reducir las propiedades; en el caso de las aleaciones tratables térmicamente-, se controla para que no se destruya el temple.
La calificación del procedimiento sigue un estándar de soldadura apropiado, como ISO 15614-2 o ASME Sección IX, mientras que la placa base en sí se suministra según ASTM B209 o GB/T 3880.
La verificación de impacto y tenacidad se realiza a la temperatura de servicio, no a temperatura ambiente.
Preguntas frecuentes
P: ¿Por qué las aleaciones de aluminio no se vuelven quebradizas a temperatura criogénica?
Su red cúbica centrada en la cara-mantiene activos doce sistemas de deslizamiento a medida que cae la temperatura, por lo que el metal se endurece sin la transición dúctil-a-frágil que se observa en los aceros cúbicos centrados en el cuerpo-.
P: ¿Qué aleación de aluminio se utiliza más para la contención de GNL?
La aleación 5083 es el material de referencia: retiene más del 20 % de alargamiento a -269 grados, suelda sin problemas de temple tratable térmicamente y mantiene una alta tenacidad a la fractura a la temperatura de servicio.
P: ¿Aumenta la resistencia cuando el aluminio se enfría por debajo de -150 grados?
Sí. El límite elástico y el límite elástico aumentan progresivamente a medida que cae la temperatura, impulsados por una mayor resistencia al movimiento de dislocación, y la ductilidad normalmente se conserva o mejora al mismo tiempo.
P: ¿Se puede soldar aluminio para recipientes criogénicos sin tratamiento térmico posterior-a la soldadura?
Para las aleaciones 5xxx, el tratamiento térmico posterior a la soldadura generalmente es innecesario y se evita, pero el procedimiento de soldadura aún debe calificarse según un estándar reconocido para controlar la porosidad, el agrietamiento y la tensión residual.
P: ¿Cuál es el principal riesgo de diseño en las estructuras criogénicas de aluminio?
La contracción térmica no coincide con la estructura adyacente de acero o compuesto, lo que genera tensiones residuales y secundarias, junto con el crecimiento de grietas por fatiga bajo ciclos térmicos repetidos.
P: ¿Por qué se utiliza aluminio 1xxx de alta-pureza en sistemas superconductores?
Combina una alta conductividad térmica con una baja respuesta magnética y se mantiene dúctil a la temperatura del helio líquido, lo que se adapta a los componentes estructurales del criostato y del imán.
