Надежность и работоспособность криогенных систем, в том числе , существенным образом зависят от выбора конструкционных материалов. При низких температурах происходят изменения механических свойств конструкционных материалов — повышается предел текучести и предел прочности, но уменьшаются пластичность и ударная вязкость.
Главным показателем пригодности материала для работы в условиях низких температур является величина ударной вязкости, зависящая от многих факторов, и в первую очередь от химического состава и режима обработки стали. В связи с резким уменьшением ударной вязкости (охрупчивание) при низких температурах применение обычных углеродистых сталей в элементах криогенных систем, соприкасающихся с продуктом или холодными частями конструкций, является недопустимым.
При эксплуатации температурные нагрузки в криогенных системах часто меняются, возникают многократные циклы нагрева — охлаждения.
В связи со статическими и циклическими нагрузками при определении прочности криогенного оборудования важным показателем является ползучесть, механическая и термическая усталость материала, т. е. пластичность. Количественным показателем пластичности является относительное удлинение образца.
Металлические материалы, применяемые в области криогенной техники, должны иметь мелкодисперсную структуру; высокие значения прочности и пластичности; быть полностью немагнитными, технологичными в условиях машиностроительного производства и обеспечивать получение равнопрочного сварного соединения по основному металлу.
Одним из основных легирующих элементов, эффективно влияющих на характеристики сталей в области криогенных температур, является никель. Повышение его содержания в сталях ведет к росту предела текучести, временного сопротивления и ударной вязкости Широко применяются стали с содержанием никеля до 9 %, а в последнее время даже с более низким содержанием — 5…6%. Такие стали имеют низкие коэффициенты линейного расширения, удовлетворительные характеристики при обработке в горячем и холодном состояниях; хорошо поддаются ковке, штамповке, сварке.
Алюминий и его сплавы также широко применяются в качестве материалов для криогенной техники, так как отличаются сочетанием удовлетворительных технологических и эксплуатационных качеств и не столь дефицитны, как высоколегированные стали. Алюминиевые сплавы являются надежными заменителями медных сплавов и в ряде случаев дорогих нержавеющих сталей Однако их недостатком является более низкая прочность, кроме того, при сварке сложно избежать разукрупненной зоны, на что следует обращать особое внимание В криогенной технике применяются алюминиевые сплавы, легированные марганцем и магнием: АД-1, АМцС, Амг5, Амг6.
Сплав АД-1 хорошо поддается сварке и механической обработке, однако он малопрочен и поэтому применяется только для изготовления труб и теплообменной аппаратуры
Сплав АМцС более прочен и имеет высокие технологические свойства, поэтому он используется при изготовлении теплообменной аппаратуры и других аппаратов.
Сплавы Амг5 и Амг6 обладают сочетанием удовлетворительной прочности и пластичности, высокой коррозионной стойкостью, хорошо поддаются сварке и механической обработке. Из этих сплавов изготавливаются обечайки и днища криогенных резервуаров и транспортных емкостей, а также фланцы.
Полимерные материалы и композиты на их основе находят все большее применение в криогенном оборудовании, что вызвано их низкой теплопроводностью, высокой удельной прочностью, эластичностью при низких температурах, а также большой адгезией к металлам и хорошими антифрикционными свойствами при различных температурах.
С помощью этих материалов оказывается возможным снизить теплопритоки по опорам криогенных емкостей, трубопроводов и арматуры, создать уплотнения затворов арматуры, обладающих высокой герметичностью и надежностью в эксплуатации, повысить долговечность и эксплуатационные характеристики узлов трения и многое другое. Также можно сделать многие измерения на стенде СВС-100.
Наиболее полно требованиям криогенной техники отвечают полимерные композиционные материалы на основе высокопрочных полимерных волокон, и прежде всего стеклопластики. Применяемые в криогенике стеклопластики состоят из армированного стекловолокнистого материала, скрепленного связующим полимерным клеем в монолитную конструкцию. Коэффициент теплоизоляции такого материала на два порядка выше, чем у стали 12Х18Н10Т. Стеклопластики применяются для изготовления силовой теплоизоляции опор, стержней фиксаторов в резервуарах, в узлах трения арматуры и многого другого.
В криогенной технике широко используются дифлон, полиамиды, фторопласты, эпоксидные смолы, сухие смазки — графит и нитрит бора.
В качестве уплотнительного материала в различных изделиях криогенной техники Широкое применение получили фторопласт-4 и поликарбонат. В уплотнительных затворах предохранительных клапанов используют морозостойкие резины на основе полярных каучуков, полихлоропренового каучука, бутилкаучука, которые сохраняют эластичность до температур 150….170 К.
Полимерные материалы и композиты, бесспорно, найдут применение и в оборудовании, разрабатываемом или используемом для работ с . Более подробные данные по этому вопросу изложены в работах.