《低溫材料基礎(chǔ)》全套教學(xué)課件

低溫材料基礎(chǔ)全套可編輯PPT課件第一章：緒論第二章：材料低溫力學(xué)性能第三章：材料低溫物理性能第四章：金屬材料第五章：非金屬材料第六章：實(shí)用超導(dǎo)材料第七章：材料低溫力學(xué)性能測量方法第八章：材料低溫?zé)嵛锢砗碗妼W(xué)性能測量方法第一章緒論一、低溫簡介二、低溫材料簡介及應(yīng)用領(lǐng)域三、材料材料選取的注意事項(xiàng)一、低溫簡介制冷屆定義溫區(qū)1、120K以上，制冷；2、4.2至120K，低溫制冷；3、4.2K以下，超低溫制冷Cryogenic,Cryogenics,<120K物理屆定義溫區(qū)1、120K以下，低溫；2、1K以下，極低溫。擴(kuò)展：泛指零攝氏度以下。二、低溫材料簡介1.結(jié)構(gòu)材料：以其力學(xué)性能為基礎(chǔ)，用以制造受力為主的零構(gòu)件

主要包括金屬材料、高分子材料、陶瓷和玻璃以及復(fù)合材料四類。2.功能材料：低溫下具有特殊熱學(xué)、電學(xué)、磁等性能的材料如超導(dǎo)材料、熱電材料、磁卡材料和巨磁阻材料等。與低溫材料相關(guān)的事故和實(shí)例“泰坦尼克”號(hào)沉船造成事故的原因?yàn)榇w所選用的鋼材不適用于低溫環(huán)境，低溫導(dǎo)致鋼材發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變。從材料角度來說，船體結(jié)構(gòu)鋼含硫（S）元素和磷（P）元素偏高，材料成分中Mn/S和Mn/C元素含量比值對韌脆轉(zhuǎn)變也有影響。同時(shí)，船體采用了鋼板鉚接技術(shù)，而鉚釘材料低溫性能差也是引起災(zāi)難的原因之一。三、低溫材料選取的注意事項(xiàng)介質(zhì)相容性1.液氧相容性2.氫脆3.低溫韌脆轉(zhuǎn)變4.熱應(yīng)力和熱應(yīng)變①溫度變化引起的熱應(yīng)力②溫度梯度引起的熱應(yīng)力5.抗熱震性6.低溫誘發(fā)相變低溫材料基礎(chǔ)第一章：緒論第二章：材料低溫力學(xué)性能第三章：材料低溫物理性能第四章：金屬材料第五章：非金屬材料第六章：實(shí)用超導(dǎo)材料第七章：材料低溫力學(xué)性能測量方法第八章：材料低溫?zé)嵛锢砗碗妼W(xué)性能測量方法第一章

材料低溫力學(xué)性能一、材料的低溫彈性形變二、材料的低溫塑性和強(qiáng)度三、材料的低溫韌性四、材料的低溫疲勞性能本章主要講述結(jié)構(gòu)材料的低溫彈性、塑性、強(qiáng)度、韌性和疲勞性能的基本概念，以及低溫對材料的這些性能影響的一般規(guī)律2.1材料的低溫彈性變形2.1材料的低溫彈性變形拉伸、壓縮、彎曲、剪切和扭轉(zhuǎn)彈性形變材料加載卸載在形變過程中，其應(yīng)力和應(yīng)變始終都保持單值線性關(guān)系。本節(jié)介紹彈性變形的基本特征及模量、泊松比等基本概念和其隨溫度降低的變化行為。2.1.1彈性變形2.1材料的低溫彈性變形彈性變形的基本特征是具有可逆性，即受外力作用時(shí)產(chǎn)生變形，外力卸載后變形消失。一些高分子材料具有顯著的黏彈性特征,即在外力作用后緩慢產(chǎn)生彈性變形，外力卸載后緩慢恢復(fù)原狀。各原子之間保持著一定的平衡距離。外力引起的原子間距的變化（Δx），即位移，在宏觀上就是變形。外力去除后，原子復(fù)位的變形就是彈性變形。2.1.1彈性變形2.1材料的低溫彈性變形原子間作用力P隨原子間距x的變化而變化，一種近似關(guān)系為式中，A和B分別為與原子種類和晶格類型相關(guān)的常數(shù)。原子間作用力與原子間距并不成線性關(guān)系，而是拋物線關(guān)系。在外力適中時(shí)，原子偏離平衡位置不大，在原子間作用力曲線的起始段，可近似視為直線，此時(shí)有引力斥力式中，k為與原子種類和晶格類型相關(guān)的常數(shù)。2.1材料的低溫彈性變形2.1.1彈性變形由此即得到胡克（Hooke）定律，式中常數(shù)k也稱模量，用符號(hào)E表示。Hooke定律表征材料在彈性狀態(tài)下應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系為表示各向同性材料在單軸加載方向上的應(yīng)力與彈性應(yīng)變之間的關(guān)系。對應(yīng)地，E稱為彈性模量。對于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)以及各向異性體上的彈性變形，需要用包含高階指數(shù)的廣義Hooke定律來描述。2.1.2模量2.1材料的低溫彈性變形拉伸彈性模量也稱楊氏模量，習(xí)慣上用E表示。依前文可知，材料彈性模量E本質(zhì)上是原子間結(jié)合力曲線的斜率，是與原子種類和晶格常數(shù)有關(guān)的常數(shù)。彈性模量表征材料抵抗外加載荷引起的變形的能力。由于外力可以是拉伸力或壓縮力，因此彈性模量有拉伸彈性模量或壓縮彈性模量。實(shí)驗(yàn)表明，多數(shù)材料的彈性模量和壓縮模量相差在5%以內(nèi)，且壓縮彈性模量通常稍大于拉伸彈性模量。2.1.2模量2.1材料的低溫彈性變形物體在三向（x,y,z）壓縮（如流體靜壓）下，體積變化率（ΔV/V）與壓應(yīng)力（或壓強(qiáng)）間由體積彈性模量（簡稱體模量）B聯(lián)系。2.1.2模量當(dāng)溫度降低時(shí)，多數(shù)材料的晶格常數(shù)變小，原子間距減小，原子間結(jié)合力增加，作用力曲線斜率增大，因此彈性模量E增加彈性模量E是與原子間結(jié)合相關(guān)的物理量，本質(zhì)上取決于材料電子結(jié)構(gòu)而非顯微組織。因此，彈性模量E是對組織不敏感的材料性能指標(biāo)。材料熱處理等通常不會(huì)改變材料的彈性模量，這與強(qiáng)度不同。2.1材料的低溫彈性變形2.1.2模量2.1材料的低溫彈性變形溫度NiFeCuTiAlMg300224.521418.2114.670.144.7280225.8214.9129.2116.670.845.1260227.2215.8130.1-71.645.6240228.6216.8131.1-72.346220230217.713212073.146.4200231.3218.4132.9-73.846.8180232.7219.3133.7123.774.547.2160233.8220.1134.6-75.247.6140235.1220.9135.4-75.848120236.4221.7136.212776.548.3100237.5222.3136.9-77.148.680238.5222.9137.5129.477.648.960239.2223.5138-77.949.140239.8223.9138.4-78.249.220240.1224.1138.6130.678.349.30240.1224.1138.6130.678.449.4表中為鎳（Ni）、鐵（Fe）、鈦（Ti）等典型金屬彈性模量E。表中可知在室溫以下，金屬材料彈性模量E隨溫度降低而增加主要發(fā)生在液氮溫度以上。2.1材料的低溫彈性變形2.1.2模量2.1材料的低溫彈性變形2.1.3泊松比垂直于受力方向上的應(yīng)變受力方向上的正應(yīng)變2.1材料的低溫彈性變形2.1.3泊松比溫度對材料泊松比有一定影響。一般情況下，當(dāng)溫度降低時(shí)材料的泊松比略有降低。對于各向同性固體材料，由材料的本構(gòu)關(guān)系可知，只有兩個(gè)獨(dú)立的彈性常數(shù)。2.1材料的低溫彈性變形2.1.3泊松比2.1材料的低溫彈性變形2.1.3泊松比“拉脹”材料2.1材料的低溫彈性變形2.1.3泊松比歐拉公式Max2.1材料的低溫彈性變形2.1.3泊松比形狀記憶合金在奧氏體相變終止溫度以上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，會(huì)發(fā)生應(yīng)力誘發(fā)的馬氏體相變。應(yīng)力去除后，由馬氏體相變引起的變形會(huì)消失。終止溫度以上的馬氏體只在應(yīng)力作用下穩(wěn)定，卸載后即逆轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的馬氏體相的。這種不通過加熱即恢復(fù)到原來形狀的彈性變形，稱為相變超彈性。形狀記憶合金馬氏體相變?yōu)闊o擴(kuò)散型一級(jí)相變，相變過程伴隨潛熱變化，此效應(yīng)稱為彈熱效應(yīng)。2.2材料的低溫塑性和強(qiáng)度材料在受載超過彈性變形范圍后會(huì)發(fā)生永久、不可逆變形，稱之為塑性變形。金屬及合金具有不同程度的塑性變形能力，被稱為塑性材料；陶瓷等工程材料基本無塑性變形能力，被稱為脆性材料。通常用強(qiáng)度來表征工程材料抵抗變形和斷裂的能力。本節(jié)介紹塑性變形的基本特征和強(qiáng)度概念，以及靜強(qiáng)度準(zhǔn)則與安全系數(shù)。2.2.1塑性變形原理：當(dāng)作用在材料上的外加應(yīng)力超過彈性極限Re時(shí)，材料開始發(fā)生永久性不可逆變形，即塑形變形。2.2材料的低溫塑性和強(qiáng)度Re對應(yīng)的點(diǎn)為比例極限，此點(diǎn)以前為直線。應(yīng)力超過屈服極限以后，如卸載，則應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系就不再按原路回到原始狀態(tài)，而是有塑性應(yīng)變保留下來。2.2.1塑性變形2.2材料的低溫塑性和強(qiáng)度斷后伸長率（A）定義為斷裂后材料標(biāo)距的伸長量L與原始標(biāo)距L0之比的百分率L為斷后材料標(biāo)距長度。斷面收縮率（Z）定義為材料斷裂后橫截面積Su的最大縮減量（S0?Su）與原始截面積S0之比的百分率2.2.1塑性變形頸縮：在拉伸應(yīng)力下，材料可能發(fā)生的局部截面縮減的現(xiàn)象2.2材料的低溫塑性和強(qiáng)度對于沒有頸縮的材料，斷面收縮率Z為零。對于形成頸縮的材料，斷面收縮率Z也由均勻變形的斷面收縮率和集中變形階段的斷面收縮率組成。斷面收縮率Z只與材料有關(guān)，與試樣尺寸無關(guān)。2.2.1塑性變形微觀原理：金屬材料塑性變形的主要形式是滑移和孿晶?；剖墙饘僭谇袘?yīng)力作用下沿一定的晶面（滑移面）和一定的晶向（滑移方向）進(jìn)行的切變過程。相對于具有體心立方和六方密排晶體結(jié)構(gòu)的金屬材料，面心立方晶體結(jié)構(gòu)的金屬材料具有較多的滑移面，因此塑性較好。此外，面心立方金屬材料低溫下變形時(shí)滑移特征得以保持，因此通常其低溫塑性同樣優(yōu)異。2.2材料的低溫塑性和強(qiáng)度2.2.1塑性變形2.2材料的低溫塑性和強(qiáng)度具有體心立方晶體結(jié)構(gòu)的金屬材料，如鐵（Fe）、鉬（Mo）、鈮（Nb），其臨界切分應(yīng)力顯著高于具有六方密排和面心立方晶體結(jié)構(gòu)的金屬，且隨溫度降低增加最為明顯。具有面心立方晶體結(jié)構(gòu)的金屬材料，如鋁（Al）和銅（Cu），其臨界切分應(yīng)力最低，且隨溫度降低變化較不明顯。對于具有六方密排晶體結(jié)構(gòu)的金屬材料，臨界切分應(yīng)力介于二者之間。2.2.2強(qiáng)度分類：主要包括比例極限、彈性極限、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度等。2.2材料的低溫塑性和強(qiáng)度工程上采用規(guī)定一定的殘留變形量的方法確定材料的屈服強(qiáng)度。例如，以0.2%殘留變形的應(yīng)力作為屈服強(qiáng)度（規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度）用σ0.2或Rp0.2表示。2.2.2強(qiáng)度屈服強(qiáng)度：工程技術(shù)上最為重要的力學(xué)性能指標(biāo)之一。2.2材料的低溫塑性和強(qiáng)度對于有些特殊構(gòu)件如承壓容器，為安全起見，常采用殘余變形量為0.01%甚至0.001%對應(yīng)的規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度Rp0.01和Rp0.001作為屈服強(qiáng)度。而對橋梁、建筑物等大型工程結(jié)構(gòu)的構(gòu)件，則可容許更大的殘余變形量，常選取殘余變形量0.5%對應(yīng)的Rp0.5作為屈服強(qiáng)度。有些結(jié)構(gòu)甚至選擇殘余變形量1.0%對應(yīng)的Rp1.0作為屈服強(qiáng)度。2.2.2強(qiáng)度純金屬材料：屈服強(qiáng)度源于使位錯(cuò)移動(dòng)的臨界分切應(yīng)力，因此其大小由位錯(cuò)移動(dòng)所受的各種阻力決定，具體包括點(diǎn)陣阻力、位錯(cuò)間交互作用產(chǎn)生的阻力和位錯(cuò)與其他晶體缺陷交互作用的阻力等。2.2材料的低溫塑性和強(qiáng)度2.2.2強(qiáng)度純金屬材料屈服：2.2材料的低溫塑性和強(qiáng)度2.2.2強(qiáng)度合金金屬材料屈服：還包括固溶強(qiáng)化和第二相強(qiáng)化2.2材料的低溫塑性和強(qiáng)度溫度對金屬材料屈服強(qiáng)度具有重要影響。一般規(guī)律是，材料屈服強(qiáng)度隨溫度降低而增加，但其變化范圍與晶格類型相關(guān)。應(yīng)變速率以及應(yīng)力狀態(tài)對材料屈服強(qiáng)度也有影響。一般規(guī)律是，應(yīng)變速率越大，測得的屈服強(qiáng)度也越大；而應(yīng)力狀態(tài)的影響表現(xiàn)為，彎曲屈服強(qiáng)度大于拉伸屈服強(qiáng)度，拉伸屈服強(qiáng)度大于扭轉(zhuǎn)屈服強(qiáng)度等。2.2.2強(qiáng)度2.2材料的低溫塑性和強(qiáng)度對于抗拉強(qiáng)度，多數(shù)隨溫度降低而增加，這與材料鍵合強(qiáng)度隨溫度降低而增加有關(guān)。對于抗拉強(qiáng)度，多數(shù)隨溫度降低而增加，這與材料鍵合強(qiáng)度隨溫度降低而增加有關(guān)。不同晶體結(jié)構(gòu)的合金抗拉強(qiáng)度隨溫度降低變化趨勢不同。2.2.3靜強(qiáng)度準(zhǔn)則與安全系數(shù)2.2材料的低溫塑性和強(qiáng)度準(zhǔn)則分類闡述備注斷裂準(zhǔn)則無裂紋材料的斷裂準(zhǔn)則即斷裂力學(xué)準(zhǔn)則，將在2.3節(jié)中詳細(xì)講述定義應(yīng)力安全系數(shù)為構(gòu)件的失效應(yīng)力（對塑性材料，常取屈服強(qiáng)度；對脆性材料，常取抗拉強(qiáng)度）與實(shí)際服役應(yīng)力之比，其值通常在1.3至2.0之間。含裂紋材料的斷裂準(zhǔn)則最大伸長線應(yīng)變理論也是無裂紋材料的斷裂準(zhǔn)則之一。材料無論處于何種應(yīng)力狀態(tài)，其承受的最大拉應(yīng)力達(dá)到材料的拉伸強(qiáng)度極限值（抗拉強(qiáng)度），即發(fā)生脆性斷裂。屈服準(zhǔn)則最大正應(yīng)力準(zhǔn)則（最大拉應(yīng)力理論）-最大拉應(yīng)變準(zhǔn)則（Mohr-Coulomb準(zhǔn)則）-最大剪應(yīng)力準(zhǔn)則（Tresca準(zhǔn)則）最大剪應(yīng)力達(dá)到極限值，就會(huì)引起塑性流動(dòng)而失效形狀改變比能準(zhǔn)則（VanMises準(zhǔn)則）-2.3材料的低溫韌性低溫韌性拉伸韌度：材料承受拉伸載荷至斷裂吸收的能量。準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度：定量目標(biāo)韌性表示材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力。從能量角度來看，韌性表征材料裂紋擴(kuò)展即形成新表面所需要吸收的能量。沖擊韌度：表征材料承受沖擊載荷（高應(yīng)變速率）至斷裂吸收的能量。定性目標(biāo)2.3材料的低溫韌性2.3.1沖擊韌度與低溫韌脆轉(zhuǎn)變沖擊韌性定義為試樣吸收功與試樣截面積的比值，即除了沖擊韌性和沖擊吸收功，側(cè)膨脹值（LateralExpansion，LE）也是沖擊試驗(yàn)上反應(yīng)材料韌性的一個(gè)重要指標(biāo)。2.3材料的低溫韌性2.3.1沖擊韌度與低溫韌脆轉(zhuǎn)變許多材料沖擊韌性隨溫度降低而降低。當(dāng)溫度降低（通常指零下40℃以下）至某臨界數(shù)值時(shí)，材料的沖擊韌性急劇下降表明材料由韌性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔?，這種轉(zhuǎn)變稱為冷脆轉(zhuǎn)變或者韌脆轉(zhuǎn)變。圖2-18給出了一種壓力容器鋼A533B沖擊韌性隨溫度變化趨勢。冷脆轉(zhuǎn)變溫度以上，材料的斷裂模式為韌性斷裂。冷脆轉(zhuǎn)變溫度以下，材料的斷裂模式為脆性斷裂。2.3材料的低溫韌性圖2-19C和Mn含量分別對碳鋼和錳鋼沖擊韌性的影響鎳含量對鎳鋼冷脆轉(zhuǎn)變溫度也有影響，機(jī)理在于Ni降低了鐵素體基體交叉滑移阻力2.3.1沖擊韌度與低溫韌脆轉(zhuǎn)變2.3材料的低溫韌性2.3.1沖擊韌度與低溫韌脆轉(zhuǎn)變具有面心立方晶體結(jié)構(gòu)的金屬及其合金，如奧氏體鋼、鎳基合金、鋁及鋁合金、銅及銅合金等，沖擊韌性一般隨溫度降低變化不大，多數(shù)材料無冷脆轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。低強(qiáng)度且具有體心立方晶體結(jié)構(gòu)的金屬合金，如商業(yè)純鐵、普通碳鋼和部分低合金鋼等，具有明顯的冷脆轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。具有六方密排晶體結(jié)構(gòu)的金屬及合金介于面心立方晶體結(jié)構(gòu)金屬合金和體心立方晶體結(jié)構(gòu)金屬合金之間，如Ti-5Al-2.5Sn，溫度降低時(shí)韌性也有降低，但不如體心立方晶體結(jié)構(gòu)金屬合金那樣明顯。高強(qiáng)度及超高強(qiáng)度鋼，如18Ni200馬氏體時(shí)效鋼，由于其在很寬的溫度范圍內(nèi)沖擊韌性值都較低，所示其冷脆轉(zhuǎn)變現(xiàn)象不明顯。2.3材料的低溫韌性2.3.1沖擊韌度與低溫韌脆轉(zhuǎn)變冷脆轉(zhuǎn)變溫度與試驗(yàn)方法，尤其是試驗(yàn)應(yīng)變加載速率有關(guān)。加載方式對材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度也有影響。中子輻照也會(huì)對材料的韌脆轉(zhuǎn)變有影響，如圖2-22所示。2.3材料的低溫韌性2.3.1沖擊韌度與低溫韌脆轉(zhuǎn)變2.3材料的低溫韌性2.3.2斷裂力學(xué)與斷裂韌度斷裂力學(xué)拋棄傳統(tǒng)強(qiáng)度理論認(rèn)為的構(gòu)件是無缺陷和裂紋的連續(xù)均勻介質(zhì)，而認(rèn)為構(gòu)件存在宏觀裂紋，利用線彈性斷裂力學(xué)或彈塑性斷裂力學(xué)的分析方法，研究裂紋在外載荷作用下的力學(xué)行為。2.3材料的低溫韌性2.3.2斷裂力學(xué)與斷裂韌度線彈性斷裂力學(xué)線彈性斷裂力學(xué)認(rèn)為材料脆性斷裂前基本上是彈性變形，即其應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系是線性關(guān)系。20世紀(jì)20年代，Griffith對脆性材料的斷裂行為研究做了開創(chuàng)性工作。歷經(jīng)近五十年，在Irwin等科學(xué)家的努力下，提出了應(yīng)力強(qiáng)度因子概念和應(yīng)力場分析方法，開創(chuàng)了利用應(yīng)力強(qiáng)度因子的方法分析疲勞裂紋擴(kuò)展。于20世紀(jì)70年代，線彈性斷裂力學(xué)已趨于成熟。應(yīng)用場分析法能量分析法2.3材料的低溫韌性2.3.2斷裂力學(xué)與斷裂韌度應(yīng)用場分析法Griffith發(fā)現(xiàn)材料中大量缺陷的存在是造成脆性材料極限強(qiáng)度遠(yuǎn)低于理論強(qiáng)度的主要原因。其造成的應(yīng)力集中導(dǎo)致局部應(yīng)力超過材料極限強(qiáng)度造成的。歷史上，Inglis首先研究了材料中缺陷的應(yīng)力集中效應(yīng)。考慮平板中存在一個(gè)橢圓裂紋，垂直裂紋方向受均勻的拉應(yīng)力σ作用，半長軸長度為a，半短軸長度b、a和b遠(yuǎn)小于板寬度和高度。Inglis認(rèn)為裂紋尖端（A點(diǎn)）的拉應(yīng)力為

2.3材料的低溫韌性2.3.2斷裂力學(xué)與斷裂韌度

應(yīng)用場分析法2.3材料的低溫韌性2.3.2斷裂力學(xué)與斷裂韌度

即在該平面上切應(yīng)力為零，而拉伸正應(yīng)力最大，故裂紋易沿該平面擴(kuò)展。

對于中心穿透無限寬度，Y=1。對如圖2-26（c）所示的半邊三角形板邊裂紋情況（注意無裂紋側(cè)寬度為無限），Y=1.12。應(yīng)用場分析法2.3材料的低溫韌性2.3.2斷裂力學(xué)與斷裂韌度斷裂力學(xué)的應(yīng)力場分析法可以解決下列問題：（1）確定帶裂紋構(gòu)件可承受的臨界載荷。當(dāng)已知構(gòu)件的幾何形狀、裂紋幾何和構(gòu)件材料的斷裂韌度，運(yùn)用應(yīng)力場分析法可確定帶裂紋構(gòu)件的臨界載荷。（2）確定裂紋容限尺寸。當(dāng)已知外加載荷、構(gòu)件材料的斷裂韌度以及含裂紋構(gòu)件的幾何形狀，運(yùn)用應(yīng)力場分析法可以確定裂紋的容限尺寸，即裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展時(shí)對應(yīng)的裂紋尺寸。（3）確定帶裂紋構(gòu)件的安全裕度。（4）選擇與評定材料。按照傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，選擇與評定材料只需要依據(jù)強(qiáng)度準(zhǔn)則；而按斷裂力學(xué)準(zhǔn)則，應(yīng)選擇高斷裂韌度的材料。一般情況下，材料的屈服強(qiáng)度越高，斷裂韌度則越低，因此選擇與評定材料應(yīng)全面考慮。應(yīng)用場分析法2.3材料的低溫韌性2.3.2斷裂力學(xué)與斷裂韌度能量分析法從斷裂的能量平衡角度，Griffith提出了材料的缺口強(qiáng)度理論，即認(rèn)為材料中存在的裂紋引起應(yīng)力集中，當(dāng)裂紋尖端正應(yīng)力達(dá)到理論強(qiáng)度值時(shí)，裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展并導(dǎo)致斷裂。而裂紋擴(kuò)展受能量條件支配，即裂紋擴(kuò)展的動(dòng)力是裂紋形成時(shí)物體所釋放出的彈性應(yīng)變能，而其阻力是裂紋擴(kuò)展時(shí)新產(chǎn)生裂紋的表面能。

彈性應(yīng)變能：表面能：總能：2.3材料的低溫韌性2.3.2斷裂力學(xué)與斷裂韌度能量分析法實(shí)際裂紋形成時(shí)除了產(chǎn)生表面能，還有塑性變形能，而且后者數(shù)值上遠(yuǎn)大于前者。因此，Griffith理論只適用于脆性固體等裂紋尖端塑性變形可以忽略的情況。據(jù)此，Griffith隨后對式（2-43）做了修正

2.3材料的低溫韌性線彈性斷裂力學(xué)認(rèn)為，材料脆性斷裂前基本上是彈性變形，即其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系是線性關(guān)系。然而，對塑性變形尺寸（簡稱塑性區(qū)）較大，即大范圍屈服或整體屈服，線彈性斷裂力學(xué)已不適用。因此需要發(fā)展新的斷裂力學(xué)理論——彈塑性斷裂力學(xué)與線彈性斷裂力學(xué)的應(yīng)力場分析和能量分析法類似，彈塑性斷裂力學(xué)也發(fā)展了不同的處理方法，目前應(yīng)用廣泛的是J積分彈塑性斷裂力學(xué)和裂紋尖端張開位移（CrackTipOpeningDisplacement，CTOD）理論。2.3材料的低溫韌性J積分彈塑性斷裂力學(xué)上文中提到的對裂紋擴(kuò)展的能量釋放完整描述中：

2.3材料的低溫韌性J積分彈塑性斷裂力學(xué)J積分的守恒性：即J積分值與積分路線的形狀和大小無關(guān)

2.3材料的低溫韌性裂紋尖端張開位移Wells于1961年提出了裂紋尖端張開位移概念。在理想的彈塑體材料中裂紋尖端達(dá)到全面屈服后，其韌帶部位的應(yīng)力值不會(huì)繼續(xù)擴(kuò)大，所以不能再用應(yīng)力關(guān)系表征裂紋體的擴(kuò)展行為。因此可以通過檢測與裂紋尖端的應(yīng)變量相關(guān)且易于測量的裂紋尖端張開位移（CTOD）表征裂紋體的應(yīng)變量。2.3材料的低溫韌性裂紋尖端張開位移

2.3材料的低溫韌性裂紋尖端張開位移彈塑性條件下要使用裂紋尖端張開位移δ作為斷裂判據(jù)，需要確定彈塑性變形條件下δ與構(gòu)件工作應(yīng)力和裂紋尺寸間的關(guān)系。帶狀屈服模型是一個(gè)應(yīng)用廣泛的解決方案?？紤]一個(gè)受單向均勻拉伸的薄板（拉伸應(yīng)力σ），板中心有一長為2a的穿透裂紋。裂紋尖端產(chǎn)生塑性變形區(qū)，由圖中深色陰影區(qū)所示。假定裂紋尖端的塑性區(qū)呈尖劈形。帶狀屈服模型認(rèn)為塑性變形區(qū)上下兩面均受均勻應(yīng)力，其值為有效屈服強(qiáng)度。此應(yīng)力阻止上下兩表面分離，其方向是使塑性區(qū)閉合，與外應(yīng)力方向相反。塑性區(qū)周圍仍是彈塑性區(qū)，所以此模型旨在將裂紋尖端的彈塑性問題進(jìn)行彈性化處理，繼續(xù)使用彈性力學(xué)的方法。2.3材料的低溫韌性裂紋尖端張開位移按帶狀屈服模型處理方法，裂紋尖端張開位移δ為將lnsec函數(shù)級(jí)數(shù)展開，有裂紋尖端張開位移δ也與KI和GI具有等價(jià)性。2.3材料的低溫韌性阻力曲線（R曲線）

時(shí)，斷裂便會(huì)發(fā)生。KR和K分別由構(gòu)件及其結(jié)構(gòu)的計(jì)算得到。2.3材料的低溫韌性工程材料斷裂韌度簡介影響材料斷裂韌度的因素強(qiáng)度工程材料的斷裂韌度和強(qiáng)度存在“折中”關(guān)系，即提高材料的強(qiáng)度通常會(huì)導(dǎo)致斷裂韌度降低。內(nèi)增韌與外增韌對于作用于裂紋產(chǎn)生之前的增韌方法稱為內(nèi)增韌，而作用于裂紋產(chǎn)生之后的增韌方法稱為外增韌。斷裂與材料的鍵合特性、晶體結(jié)構(gòu)以及材料有序度等因素有關(guān)，材料的固有韌性與裂紋尖端發(fā)生塑性變形的能力有關(guān)。2.3材料的低溫韌性工程材料斷裂韌度簡介

2.3材料的低溫韌性工程材料斷裂韌度簡介影響金屬材料斷裂韌度的因素晶體結(jié)構(gòu)與材料的塑性行為類似，不同晶格類型的金屬材料斷裂韌度隨溫度降低變化趨勢也有不同?；瘜W(xué)成分化學(xué)成分對金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)、相平衡、強(qiáng)化以及變形機(jī)理有重要影響。雜質(zhì)會(huì)在基體中形成沉淀相或夾雜物。加工金屬加工包括生產(chǎn)、精煉、鑄造和鑄錠成型，以及熱處理過程等。加工對材料微觀結(jié)構(gòu)以及性能有重要影響。應(yīng)變速率應(yīng)變速率對材料的斷裂韌度有影響。相同溫度下，應(yīng)變速率越低，斷裂韌度越大。2.4.1變應(yīng)力與材料疲勞2.4材料的低溫疲勞性能變應(yīng)力指隨時(shí)間變化的應(yīng)力。材料在變應(yīng)力作用下，即使所受應(yīng)力低于材料的極限強(qiáng)度，也會(huì)發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象稱為材料疲勞。變應(yīng)力包括隨機(jī)變應(yīng)力和交變應(yīng)力。交變應(yīng)力還可細(xì)分為穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力和不穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力。本書主要討論穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力。2.4.1變應(yīng)力與材料疲勞2.4材料的低溫疲勞性能

平均應(yīng)力σm：

2.4.1變應(yīng)力與材料疲勞2.4材料的低溫疲勞性能在靜載情況下，無論顯示脆性還是韌性的材料，在變應(yīng)力下斷裂都不會(huì)發(fā)生明顯的塑性變形，且斷裂通常是突發(fā)性的。疲勞斷裂包括裂紋萌生、裂紋擴(kuò)展和最終斷裂三個(gè)階段。時(shí)間尺度上第一個(gè)階段最長，而最終斷裂最短，甚至是瞬間發(fā)生。裂紋萌生通常發(fā)生在材料表面、內(nèi)部缺陷、金屬夾雜物，以及缺口、溝槽等處。在名義應(yīng)力低于材料極限強(qiáng)度下，缺陷及缺口等成為應(yīng)力集中點(diǎn)，隨著加載循環(huán)的增加，應(yīng)力集中點(diǎn)逐步發(fā)展成微觀裂紋和宏觀裂紋。宏觀裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，直至構(gòu)件剩余部分不能承擔(dān)載荷而發(fā)生突然斷裂。裂紋萌生、裂紋擴(kuò)展和最終斷裂三個(gè)階段在材料疲勞斷口形貌有所體現(xiàn)。微觀上，裂紋擴(kuò)展階段對應(yīng)條狀花紋，稱為疲勞條帶或疲勞輝紋。最終瞬斷區(qū)微觀形貌則與材料靜載斷裂形貌一致。從材料斷裂周次上分，疲勞可分為低周疲勞、高周疲勞和超高周疲勞。一般低溫工程中較少涉及超高周疲勞。

2.4材料的低溫疲勞性能

2.4材料的低溫疲勞性能

溫度是影響材料疲勞性能的一個(gè)重要因素。對金屬材料，如前所述，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨溫度降低而增加。這與溫度降低后位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)變?nèi)鯇?dǎo)致塑性變形的阻力增加有關(guān)。此外，溫度減小后擴(kuò)散等作用也有降低。對有些金屬材料，疲勞強(qiáng)度和疲勞極限也隨溫度降低而增加。銅及銅合金等也具有相同規(guī)律。

2.4材料的低溫疲勞性能溫度降低后疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展都受阻，因此疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命都會(huì)增加。然而，對鋅、鐵素體鋼等具有冷脆轉(zhuǎn)變特性的金屬合金，在轉(zhuǎn)變溫度以下，其疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)測量較為困難，且呈現(xiàn)疲勞強(qiáng)度隨溫度降低而降低的現(xiàn)象。對于工程塑料，溫度對疲勞性能的影響更為復(fù)雜。2.4.3疲勞裂紋擴(kuò)展速率及門檻值2.4材料的低溫疲勞性能含裂紋構(gòu)件的裂紋擴(kuò)展在變應(yīng)力作用下會(huì)越來越快。對構(gòu)件在較低應(yīng)力水平下的服役情形，其疲勞壽命的絕大部分是在裂紋初期擴(kuò)展階段。同時(shí)，應(yīng)力水平越高，裂紋擴(kuò)展越快。恒應(yīng)力水平下，裂紋尺寸越大，裂紋擴(kuò)展越快。

式中，C和m為與材料和溫度等因素有關(guān)的常數(shù)。對金屬材料，m值一般在2～7之間。2.4.3疲勞裂紋擴(kuò)展速率及門檻值2.4材料的低溫疲勞性能

2.4.3疲勞裂紋擴(kuò)展速率及門檻值2.4材料的低溫疲勞性能對前述經(jīng)驗(yàn)式積分，得根據(jù)前式，有在疲勞損傷容限設(shè)計(jì)中，上式可用來估算裂紋擴(kuò)展壽命。注意該式不適用于m=2以及Y與裂紋長度a相關(guān)的情形。對于Y與裂紋長度a相關(guān)的情況，計(jì)算較為復(fù)雜。2.4.3疲勞裂紋擴(kuò)展速率及門檻值2.4材料的低溫疲勞性能一些工程材料的低溫疲勞裂紋擴(kuò)展速率和門檻值見表2-9。低溫對材料及構(gòu)件疲勞裂紋擴(kuò)展速率有重要影響。溫度降低，多數(shù)金屬合金材料的疲勞裂紋擴(kuò)展速率以及門檻值也有不同程度的降低。但是在Ⅱ區(qū)末尾和Ⅲ區(qū)開始階段，有的材料表現(xiàn)出不同的行為。2.4.4疲勞設(shè)計(jì)概要2.4材料的低溫疲勞性能疲勞的不同設(shè)計(jì)原理之間的主要區(qū)別在于裂紋萌生和裂紋擴(kuò)展穩(wěn)態(tài)的定量處理方法。目前疲勞設(shè)計(jì)主要包括總壽命法和損傷容限法兩種?？倝勖〒p傷容限法總壽命法是指以循環(huán)應(yīng)力范圍（S-N曲線）或應(yīng)變范圍（ε-N曲線）描述疲勞斷裂的總壽命的方法。在這些方法中，通過控制應(yīng)力幅或應(yīng)變幅以獲得初始無裂紋（和具有名義光滑表面）的測試試樣產(chǎn)生疲勞斷裂所需的循環(huán)數(shù)。此壽命包括裂紋萌生的疲勞循環(huán)數(shù)（可能高達(dá)總壽命的90%）和使裂紋擴(kuò)展至疲勞斷裂的循環(huán)數(shù)。因此該方法在多數(shù)情況下體現(xiàn)抵抗裂紋萌生的設(shè)計(jì)思想。疲勞設(shè)計(jì)的損傷容限法與斷裂力學(xué)設(shè)計(jì)的損傷容限法基本一致。采用損傷容限法預(yù)測裂紋擴(kuò)展壽命時(shí)，需要應(yīng)用裂紋擴(kuò)展速率等裂紋擴(kuò)展經(jīng)驗(yàn)規(guī)律。根據(jù)線彈性斷裂力學(xué)的要求，只有遠(yuǎn)離應(yīng)力集中的塑性應(yīng)變場，且與帶裂紋構(gòu)件的特征尺寸（包括裂紋尺寸）相比，裂紋頂端塑性區(qū)較小，彈性加載占主導(dǎo)作用的情形下，才可以用損傷容限法。2.5本章小結(jié)1.彈性變形、塑性變形、強(qiáng)度、沖擊韌性額、斷裂力學(xué)和疲勞的基本概念。2.低溫材料強(qiáng)度、斷裂韌度等低溫環(huán)境隨溫度降低的一般變化行為。3.低溫工程設(shè)計(jì)中的強(qiáng)度、斷裂力學(xué)及疲勞設(shè)計(jì)方法。低溫材料基礎(chǔ)第一章：緒論第二章：材料低溫力學(xué)性能第三章：材料低溫物理性能第四章：金屬材料第五章：非金屬材料第六章：實(shí)用超導(dǎo)材料第七章：材料低溫力學(xué)性能測量方法第八章：材料低溫?zé)嵛锢砗碗妼W(xué)性能測量方法第三章

材料低溫物理性能一、低溫?zé)崃W(xué)性能二、低溫電學(xué)性能三、材料的低溫磁性能比熱3.1材料的低溫物理性能材料的熱容定義為在實(shí)際應(yīng)用中，最為常用的是定壓熱容CP和定容熱容CV。通常實(shí)驗(yàn)所測得的是定壓熱容CP，而物理意義更為基本的是定容熱容CV。定容熱容CV直接與物質(zhì)內(nèi)能U相關(guān)，即比熱3.1材料的低溫物理性能對多數(shù)固體材料，室溫下(CP?CV)/CP值約為百分之幾，且隨溫度降低并迅速減小。在液氦溫度下，CP≈CV，兩者的定量關(guān)系為

比熱:晶格比熱3.1材料的低溫物理性能固體的晶格振動(dòng)可用聲子描述。聲子是波色（Bose）子，聲子系統(tǒng)遵從波色統(tǒng)計(jì)，每一種振動(dòng)模式的平均能量為

比熱:晶格比熱3.1材料的低溫物理性能

對式（3-10）的處理需要用到兩個(gè)重要的模型，即愛因斯坦（Einstein）模型和德拜（Debye）模型。比熱:晶格比熱3.1材料的低溫物理性能

比熱:晶格比熱3.1材料的低溫物理性能

比熱:晶格比熱3.1材料的低溫物理性能2.Debye模型實(shí)際晶體的聲子譜比較復(fù)雜。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)相同晶體結(jié)構(gòu)的材料具有大致相同形貌的聲子譜，只是最大頻率不同。例如，鉛（Pd）、鎳（Ni）和銅（Cu）等具有面心立方晶體結(jié)構(gòu)的金屬具有相同形貌的聲子譜，但Ni的最大頻率比Cu的高，Pd的最低。按Debye模型，比熱:晶格比熱3.1材料的低溫物理性能

比熱:晶格比熱3.1材料的低溫物理性能

比熱:晶格比熱3.1材料的低溫物理性能2.Debye模型比熱:晶格比熱3.1材料的低溫物理性能2.Debye模型Debye溫度反映固體中原子振動(dòng)的平均頻率大小，與原子質(zhì)量和原子之間的結(jié)合力有關(guān)。物理學(xué)中固體的許多性質(zhì)與原子振動(dòng)、原子質(zhì)量和原子間結(jié)合力有關(guān)，因而它們很大程度上可用Debye溫度來代表。因此，Debye溫度已經(jīng)不再限于其原來的意義，而成為一個(gè)重要的具有廣泛意義的物理量。如實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電阻率、熔點(diǎn)、壓縮系數(shù)、熱膨脹系數(shù)以及有些力學(xué)性質(zhì)都與Debye溫度相關(guān)。例如，利用電阻率與Debye溫度的關(guān)系，根據(jù)材料電導(dǎo)率的布洛赫（Bloch）理論可導(dǎo)出電導(dǎo)率為式中，A為金屬特性常數(shù)，M為金屬原子的質(zhì)量。式（3-19）是Bloch-Grüneisen公式。比熱:晶格比熱3.1材料的低溫物理性能

即金屬在高溫下的電阻率與溫度成正比，低溫下電阻率與溫度T的5次方成正比。比熱:晶格比熱3.1材料的低溫物理性能2.Debye模型Debye模型在低溫下與實(shí)驗(yàn)結(jié)果能很好地符合，這是因?yàn)樵诘蜏叵麻L波聲子的激發(fā)對比熱貢獻(xiàn)起主要作用，可以把晶體看成連續(xù)介質(zhì)，與固體內(nèi)原子排列無關(guān)。如圖3-2所示，低溫下液晶高分子材料與非晶高分子低溫比熱行為不同。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)非晶固體（如玻璃）的低溫比熱變化行為與非晶高分子類似。當(dāng)溫度低于80K時(shí)，非晶材料的比熱隨溫度變化行為基本一致，可以近似認(rèn)為與材料化學(xué)成分無關(guān)。比熱:電子比熱3.1材料的低溫物理性能

比熱:電子比熱3.1材料的低溫物理性能實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度上升時(shí)，很多金屬的電子比熱系數(shù)相對于低溫下電子比熱系數(shù)發(fā)生變化，且變化趨勢不同。這與Fermi能級(jí)附近態(tài)密度曲線的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的溫度依賴有關(guān)。幾種材料的電子比熱系數(shù)見表3-3。低溫下電子?聲子相互作用變得重要起來，其引起的比熱增加量甚至可以高達(dá)電子比熱本身的20%以上。當(dāng)溫度低于臨界溫度Tc時(shí)，有些金屬及合金材料呈現(xiàn)超導(dǎo)態(tài)。比熱:電子比熱3.1材料的低溫物理性能

比熱:電子比熱3.1材料的低溫物理性能比熱:磁比熱3.1材料的低溫物理性能固體中具有磁矩的微觀粒子有電子、離子（或原子）和原子核，它們除了對磁性質(zhì)有貢獻(xiàn)，還對比熱有貢獻(xiàn)。鐵磁體中磁性的離子（或原子）通過交換作用在某一臨界溫度以下形成長程磁有序。自旋波是長程磁有序系統(tǒng)的元激發(fā)，也稱磁子。和晶格振動(dòng)的元激發(fā)?聲子一樣，磁子對比熱也有貢獻(xiàn)。在有些磁合金中，由于磁性原子的濃度和漲落，在濃度高的區(qū)域形成鐵磁集團(tuán)、反鐵磁集團(tuán)或混磁集團(tuán)，而各集團(tuán)大磁矩的方向是無序分布的。相鄰磁集團(tuán)之間有間接交換作用，使每一個(gè)磁集團(tuán)處于周圍所有磁矩在該處產(chǎn)生的內(nèi)場作用之下，對比熱產(chǎn)生貢獻(xiàn)。在屬于自旋玻璃的稀磁合金中，雜質(zhì)磁矩之間有所謂的RKKY相互作用，在凍結(jié)狀態(tài)下磁性雜質(zhì)原子對比熱的貢獻(xiàn)與磁集團(tuán)又有所不同。此外，有的系統(tǒng)磁性很強(qiáng)，但還不足以形成長程磁有序，在這樣的金屬或合金系統(tǒng)中存在大量稱為自旋漲落的磁激發(fā)。這種磁激發(fā)對比熱的貢獻(xiàn)在低溫下特別顯著。1.磁子比熱與聲子類似，磁子也是波色子，因此遵從波色統(tǒng)計(jì)。由于鐵磁自旋波和反鐵磁自旋波的色散關(guān)系不同，他們的比熱?溫度關(guān)系也不同。1）鐵磁系統(tǒng)自旋波的角頻率和動(dòng)量之間的色散關(guān)系為式中，C為常數(shù)，q為動(dòng)量。由此得到比熱:磁比熱3.1材料的低溫物理性能比熱:磁比熱3.1材料的低溫物理性能2）反鐵磁系統(tǒng)自旋波的頻率和動(dòng)量之間的色散關(guān)系為比熱:磁比熱3.1材料的低溫物理性能

比熱:磁比熱3.1材料的低溫物理性能

比熱:反常比熱3.1材料的低溫物理性能

比熱:反常比熱3.1材料的低溫物理性能2．合作現(xiàn)象引起的反常比熱考慮強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系，當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)中粒子之間相互作用很強(qiáng)，每個(gè)粒子的能量與周圍粒子的狀態(tài)都有關(guān)，因此對此類系統(tǒng)應(yīng)考慮整個(gè)系統(tǒng)的能量，以及系統(tǒng)組態(tài)對能量的影響。對上述系統(tǒng)加熱，當(dāng)接近某一臨界溫度時(shí)，粒子的熱運(yùn)動(dòng)能與相互作用能勢均力敵，系統(tǒng)組態(tài)很容易發(fā)生劇烈變化，而引起某種相變。如鐵磁體，磁矩之間有強(qiáng)相互作用，在低溫下磁矩都整齊指向同一方向。在臨界溫度，由于熱漲落，少數(shù)磁矩掙脫周圍磁矩的束縛離開原方向而發(fā)生“動(dòng)搖”。每個(gè)動(dòng)搖的磁矩引起它周圍磁矩作用力減弱，從而引起更多磁矩的動(dòng)搖。當(dāng)全部磁矩動(dòng)搖后，系統(tǒng)各磁矩取向混亂，相變過程也就完成，這就是合作現(xiàn)象。除鐵磁相變外，還有反鐵磁相變、有序?無序相變、正常He?超流He相變、正常態(tài)?超導(dǎo)相變等都有合作效應(yīng)。這種相變的比熱曲線很像希臘字母λ，也稱為“λ-相變”

比熱:典型材料的低溫比熱3.1材料的低溫物理性能

比熱:典型材料的低溫比熱3.1材料的低溫物理性能1．冷卻物體吸熱計(jì)算結(jié)合典型材料的比熱圖3-7和圖3-8，可見將物體從室溫冷卻到液氦溫度，絕大多數(shù)熱量是在室溫到液氮溫度之間取走的，例如對銅而言可達(dá)93%。冷卻到液氮溫度以下再繼續(xù)冷卻就容易了。這是低溫實(shí)驗(yàn)中通常采用液氮預(yù)冷方法的物理原因。冷卻1千克不同固體材料到低溫液體正常沸點(diǎn)所需的液體量如表3-6所示。比熱:典型材料的低溫比熱3.1材料的低溫物理性能2．磁致冷材料磁性物質(zhì)是由原子或具有磁矩的磁性離子組成的結(jié)晶體，具有一定的熱運(yùn)動(dòng)或振動(dòng)。當(dāng)無外加磁場時(shí)，磁性物質(zhì)內(nèi)磁矩的取向是無規(guī)則的，此時(shí)系統(tǒng)的熵較大。當(dāng)磁性物質(zhì)被磁化時(shí)，磁矩沿磁化方向擇優(yōu)取向，在等溫條件下，該過程導(dǎo)致磁性物質(zhì)熵減小，有序度增加，向外界放熱。而當(dāng)磁場強(qiáng)度減弱，由于磁性原子或離子的熱運(yùn)動(dòng)，其磁矩又趨于無序，在熵增和等溫條件下，磁性材料從外界吸熱，就能達(dá)到制冷的效果。此過程也稱為磁性材料的磁熱（或磁卡）效應(yīng)。磁制冷材料性能主要取決于磁有序化溫度（磁相變點(diǎn)，如居里點(diǎn)Tc、奈爾點(diǎn)TN等）、一定外加磁場變化下磁有序溫度附近的磁卡效應(yīng)（通常是磁場強(qiáng)度的函數(shù)）等。適合磁制冷的材料一般應(yīng)具有低比熱和高熱導(dǎo)率，以保障磁性材料有明顯的溫度變化和快速地進(jìn)行熱交換。比熱:典型材料的低溫比熱3.1材料的低溫物理性能3．蓄冷材料用于低溫系統(tǒng)蓄冷器的填料應(yīng)具有較大的比熱和比表面積，還要求具有足夠的力學(xué)強(qiáng)度，耐磨損，經(jīng)受長周期性劇烈的溫度和壓力交變流動(dòng)下不破碎，以及較小的流動(dòng)阻力等要求。適用于不同溫區(qū)、不同類型制冷機(jī)的蓄冷材料及形狀不同。例如氣體制冷機(jī)的蓄冷器一般采用細(xì)金屬絲網(wǎng)、小金屬球或顆粒，而低溫制冷機(jī)要求具有更大的比表面積和比熱的蓄冷材料。在40K以上溫區(qū)蓄冷填料通常選用磷青銅或不銹鋼，卻不適合20～30K溫區(qū)。金屬Pb可用于15K以上溫區(qū)蓄冷，但不適合更低溫度。在15～4.2K蓄冷器主要采用具有磁比熱反常的磁性蓄冷材料，如Er3Ni。在2～35K溫區(qū)ErN、HoN和HoCu2等材料的低溫比熱如圖3-9所示。制冷機(jī)用蓄冷材料在1～15K溫區(qū)的低溫比熱如圖3-10所示。比熱:典型材料的低溫比熱3.1材料的低溫物理性能比熱:典型材料的低溫比熱3.1材料的低溫物理性能熱導(dǎo)率3.1材料的低溫物理性能

熱導(dǎo)率：電子熱導(dǎo)率和聲子熱導(dǎo)率3.1材料的低溫物理性能

熱導(dǎo)率：電子熱導(dǎo)率和聲子熱導(dǎo)率3.1材料的低溫物理性能對于非晶材料、玻璃及高分子材料，隧道效應(yīng)對聲子散射也有影響。這導(dǎo)致這些材料低溫聲子熱導(dǎo)率有且在2～20K溫區(qū)通常存在一平臺(tái)。熱導(dǎo)率：電子熱導(dǎo)率和聲子熱導(dǎo)率3.1材料的低溫物理性能

熱導(dǎo)率：電子熱導(dǎo)率和聲子熱導(dǎo)率3.1材料的低溫物理性能

熱導(dǎo)率：平均熱導(dǎo)率和積分熱導(dǎo)率3.1材料的低溫物理性能

熱導(dǎo)率：平均熱導(dǎo)率和積分熱導(dǎo)率3.1材料的低溫物理性能積分熱導(dǎo)率的重要應(yīng)用還包括確定熱損耗和確定室溫至考察溫度的熱截留。例如，由通過3根直徑為10mm，長度L為1m的奧氏體不銹鋼支撐結(jié)構(gòu)（I(4.2K,295K)=3070W/m）從室溫到液氦傳輸?shù)臒崃鳛?.7W，如圖3-14（a）所示。這將導(dǎo)致液氦的蒸發(fā)率為1l/h。為減少通過支撐結(jié)構(gòu)向液氦的熱輸運(yùn)，常采用中間溫度的熱截留技術(shù)?？刹捎靡旱鋮s的熱沉，也可采用與制冷機(jī)的一級(jí)冷頭連接的熱沉?？紤]通過3根直徑為10mm，長度L為0.75m的奧氏體不銹鋼支撐結(jié)構(gòu)（I(4.2K,77K)=325W/m）從77K熱沉到液氦傳輸?shù)臒崃鲀H為0.1W，如圖3.1-14（b）所示。熱截留后熱氦的消耗量僅為原來的1/7。熱擴(kuò)散系數(shù)3.1材料的低溫物理性能均勻、各向同性材料的熱擴(kuò)散系數(shù)或熱擴(kuò)散率定義為熱擴(kuò)散系數(shù)為表征材料熱量擴(kuò)散能力的物理量，即表征材料由初始溫度分布到不可逆均勻溫度的時(shí)間快慢的量度?？汕蟮锰卣鲿r(shí)間τ特征時(shí)間τ為瞬時(shí)溫度達(dá)最終溫度的2/3所需時(shí)間。瞬時(shí)溫度達(dá)最終溫度的95%所需的時(shí)間約為3τ。當(dāng)溫度降低時(shí)，多數(shù)材料的熱導(dǎo)率和比熱都會(huì)降低。然而，材料的比熱降低的幅度通常遠(yuǎn)大于熱導(dǎo)率降低的幅度。因此，材料的熱擴(kuò)散系數(shù)會(huì)隨溫度降低而顯著增加，注意奧氏體不銹鋼具有相對較低的低溫?zé)釘U(kuò)散系數(shù)。熱擴(kuò)散系數(shù)3.1材料的低溫物理性能接觸熱阻3.1材料的低溫物理性能

接觸熱阻3.1材料的低溫物理性能對于接觸熱阻的產(chǎn)生機(jī)理，傳統(tǒng)的觀點(diǎn)認(rèn)為由于兩固體接觸是非理想的，如圖3-16（a）所示。即接觸表面的實(shí)際有效接觸面積只占到名義接觸面積的0.01%～0.1%。即使通過施加壓力，也難以實(shí)現(xiàn)理想接觸。如兩界面接觸壓力達(dá)到10MPa，實(shí)際接觸面積也僅占名義接觸面積的1%～2%。非理想接觸會(huì)引起熱流的收縮，如圖3-16（b）所示，從而產(chǎn)生接觸熱阻，并導(dǎo)致溫度不連續(xù)，如圖3-16（c）所示。接觸熱阻不僅與材料特性有關(guān)，還與界面狀態(tài)密切相關(guān)。接觸熱阻3.1材料的低溫物理性能對接觸熱阻的研究，不僅要考慮其表觀的宏觀特性，更要從微觀角度考慮傳熱過程中的微尺度效應(yīng)和電子、聲子散射機(jī)理?？ㄆげ闊嶙柰ǔＪ侵敢汉囟纫韵拢ㄐ∮?K）發(fā)生的界面熱阻現(xiàn)象?；诼曌邮淠Ｐ停梢杂?jì)算通過界面聲子輸運(yùn)的比例。如圖3-17所示，考慮聲子自液氦至固體的輸運(yùn)過程，由斯涅爾（Snell）折射定律有式中，vl和vs分別為液氦和固體中的聲速。發(fā)生全反射的臨界條件為接觸熱阻3.1材料的低溫物理性能

接觸熱阻3.1材料的低溫物理性能

接觸熱阻3.1材料的低溫物理性能

熱發(fā)射率3.1材料的低溫物理性能材料的表面發(fā)射率是表征材料熱物性的重要物理量之一。熱發(fā)射率指物體的輻射能力與相同溫度下黑體的輻射能力之比，有時(shí)也稱發(fā)射率、輻射率或比輻射率等。黑體的輻射功率與溫度之間的定量關(guān)系由斯忒藩?玻爾茲曼定律（Stefan-Boltzmannlaw）描述，即在一定溫度下，絕對黑體的溫度與輻射本領(lǐng)最大值相對應(yīng)的波長的乘積為一常數(shù)（維恩位移定律），即實(shí)際應(yīng)用中測量材料的光譜發(fā)射率十分困難。通常假定材料為灰體?；殷w的表面發(fā)射率不隨輻射波長變化，因此其表面的發(fā)射能量只是溫度的函數(shù)。熱發(fā)射率3.1材料的低溫物理性能

熱發(fā)射率3.1材料的低溫物理性能低溫系統(tǒng)中，高真空及超高真空度使氣體對流及氣體傳導(dǎo)傳熱顯著降低，因此降低輻射傳熱變得十分重要。研究材料的低溫發(fā)射率對低溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重要意義。通過對材料低溫發(fā)射率研究發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律：高電導(dǎo)材料通常是優(yōu)良的反射體，如銅、銀、金和鋁；發(fā)射率隨溫度降低而降低；優(yōu)良反射體的發(fā)射率會(huì)因表面污染而增加；通過合金化提高材料的反射率可提高發(fā)射率；機(jī)械拋光等提高金屬材料表面加工硬化處理會(huì)提高材料發(fā)射率；僅通過光潔度等外觀不能可靠確定材料是否為高發(fā)射率，尤其在長波段。熱膨脹3.1材料的低溫物理性能物體因溫度變化會(huì)出現(xiàn)體積變化現(xiàn)象，通常是隨溫度降低體積減小，隨溫度升高體積膨脹。與物質(zhì)的比熱類似，熱膨脹與晶格振動(dòng)相關(guān)，且有相同的變化趨勢，如隨溫度降低，材料的熱膨脹系數(shù)降低。具體地說，物質(zhì)的熱膨脹源于原子間相對位移的非諧項(xiàng)（高于二次的項(xiàng)）。在定壓下各向同性材料的線膨脹系數(shù)定義為定義體積膨脹系數(shù)為對各向同性固體，有熱膨脹3.1材料的低溫物理性能金屬材料室溫?低溫（4K）線收縮率一般在0.5%左右。因瓦（Invar）合金具有較低的熱收縮率，有時(shí)稱為零膨脹材料。在相同溫度范圍內(nèi)，高分子材料線收縮率一般都大于金屬的，如環(huán)氧樹脂和聚四氟乙烯，甚至達(dá)2%。例外的是聚酰胺酰亞胺（Torlon），其線收縮率甚至小于鋁合金。G-10玻璃鋼具有各向異性特征，其經(jīng)向線收縮率約為0.25%，而垂直纖維布方向因富環(huán)氧樹脂線收縮率高達(dá)0.71%。碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂的線收縮率也較小，近似于鋼材。有些非晶材料，如派來克斯玻璃（Pyrex）、ZERODUR，線收縮率接近于零。多晶石英不僅具有較低的熱導(dǎo)率，還具有較低的熱膨脹。線收縮率較小的石英常用作低溫設(shè)備中測量物體相對位置的測量原件（參照物）。此外，材料的熱膨脹系數(shù)還與它們的成型方向有關(guān)，如石墨。對于石墨材料，其在高溫下導(dǎo)熱性能好，但在低溫下導(dǎo)熱性能較差，可做絕熱材料使用。石墨材料平行于沖壓軸方向的膨脹系數(shù)與垂直于沖壓軸方向的膨脹系數(shù)相差三倍。熱膨脹3.1材料的低溫物理性能少數(shù)材料表現(xiàn)出反常熱膨脹行為，主要包括低熱膨脹及負(fù)熱膨脹。典型的低熱膨脹材料是因瓦合金。負(fù)熱膨脹與常規(guī)材料的熱脹冷縮現(xiàn)象相反，材料的體積隨溫度升高而縮小，隨溫度降低而變大。1951年，Hummel發(fā)現(xiàn)β-鋰霞石的結(jié)晶聚集體在1000℃后繼續(xù)升溫會(huì)出現(xiàn)體積縮小的現(xiàn)象，從而引發(fā)對負(fù)熱膨脹現(xiàn)象的研究。1997年，Sleight發(fā)現(xiàn)了化學(xué)通式為A2M3O12的鎢酸鹽和鉬酸鹽系列負(fù)熱膨脹材料，其中Sc2W3O12是迄今為止發(fā)現(xiàn)的窗口溫度范圍最寬的負(fù)熱膨脹材料，其響應(yīng)溫度范圍從10K直至1200K。金屬材料電導(dǎo)率3.2材料的低溫電學(xué)性能

金屬材料電導(dǎo)率3.2材料的低溫電學(xué)性能

金屬材料電導(dǎo)率3.2材料的低溫電學(xué)性能純金屬Ni和Nb、純鋁（1100）、奧氏體不銹鋼316及因瓦合金電阻率隨溫度變化如圖3-21所示。AISI304/304L、316、317、321、347、410和430不銹鋼電阻率隨溫度的變化如圖3-22所示。剩余電阻率（RRR）3.2材料的低溫電學(xué)性能

剩余電阻率（RRR）3.2材料的低溫電學(xué)性能對Nb以及Nb-Ti/Cu、Nb3Sn/Cu等超導(dǎo)材料，其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度均高于4.2K，因此其剩余電阻率RRR有不同的定義。半導(dǎo)體材料電導(dǎo)率3.2材料的低溫電學(xué)性能

溫差電現(xiàn)象3.2材料的低溫電學(xué)性能

半導(dǎo)體材料電導(dǎo)率3.2材料的低溫電學(xué)性能

溫差電現(xiàn)象3.2材料的低溫電學(xué)性能1823年，Seebeck發(fā)現(xiàn)兩種不同的金屬接觸并組成回路時(shí)，當(dāng)兩接觸點(diǎn)有溫差，便會(huì)產(chǎn)生電勢差。這是熱電偶測溫以及熱電器件的工作原理。1834年，Peltier發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在由兩種不同的金屬接觸組成的回路上通電流時(shí)，其中一側(cè)會(huì)放熱而另一側(cè)則會(huì)吸熱。這成為熱電制冷器件的工作原理，如圖3-25所示。在不同溫度下，材料的熱電性能有所不同。材料的熱電效率常用無量鋼的熱電優(yōu)值系數(shù)zT來表征（1）碲化鉍（Bi2Te3）及其合金，適用于溫度在450℃以下，是目前廣泛應(yīng)用熱電制冷器件的材料。（2）碲化鉛及其合金，適用溫度在1000℃附近，主要應(yīng)用于溫差發(fā)電領(lǐng)域。（3）硅鍺合金，適用溫度可達(dá)1300℃，主要應(yīng)用于溫差發(fā)電領(lǐng)域。低溫溫度的點(diǎn)測量方法3.2材料的低溫電學(xué)性能有些測溫方法基于基本物理定律，依靠測溫物質(zhì)的特性與熱力學(xué)溫度間的關(guān)系確定溫度。此類溫度計(jì)稱為基準(zhǔn)溫度計(jì)，這類溫度計(jì)不需要標(biāo)定，等級(jí)更高。還有一類測溫方法需要標(biāo)定，稱為標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)?；鶞?zhǔn)測溫溫度計(jì)主要包括3He熔化曲線、超導(dǎo)轉(zhuǎn)變點(diǎn)、噪聲、庫侖阻塞現(xiàn)象（CoulombBlockade）、核取向、氣體、蒸汽壓、穆斯堡爾效應(yīng)（M?ssbauerEffect）和滲透壓溫度計(jì)等。標(biāo)準(zhǔn)測溫溫度計(jì)主要包括電阻、磁化率、容式和Pt?NMR等溫度計(jì)。半導(dǎo)體材料電導(dǎo)率3.2材料的低溫電學(xué)性能在低溫領(lǐng)域，常用的溫度測量方法包括氣體測溫（主要有定容氣體測溫、聲學(xué)氣體測溫和介電常數(shù)氣體測溫）、蒸汽壓測溫、熱電勢測溫、電阻測溫、噪聲測溫、介電測溫、電子順磁測溫、核順磁測溫、核取向測溫和Coulomb阻塞測溫等。熱電偶溫度計(jì)利用Seebeck效應(yīng)測量溫度。熱電偶溫度計(jì)可采用幾種金屬材料的組合或單臂熱電偶。幾種用于低溫的組合熱電偶溫度計(jì)如表3-18所示。用于單臂熱電偶的材料主要有以下三種。（1）康銅：55wt.%Cu-45wt.%Ni。（2）鉻鎳合金：90wt.%Ni-10wt.%Cr。（3）鎳鋁合金：95wt.%Ni-2wt.%Al-2wt.%Mn-1wt.%Si。簡介3.3材料的低溫磁性能

簡介3.3材料的低溫磁性能AISI316LN奧氏體不銹鋼和KHMN30L（7Cr-1Ni-28Mn-0.1N-0.1C）高錳鋼磁導(dǎo)率隨溫度的變化如圖3-26所示。一種奈耳（Neel）溫度計(jì)算式為

低溫對奧氏體不銹鋼磁性能的影響3.3材料的低溫磁性能

焊接對奧氏體不銹鋼的磁性能影響3.3材料的低溫磁性能奧氏體不銹鋼材料的焊接易導(dǎo)致δ鐵素體的產(chǎn)生。與馬氏體類似，δ鐵素體也是鐵磁性材料。δ鐵素體會(huì)顯著降低奧氏體不銹鋼低溫尤其是液氦溫度的韌性，如圖3-27所示。因此焊接過程中設(shè)法降低δ鐵素體含量對奧氏體不銹鋼的磁性能和力學(xué)性能都有益。塑性變形對奧氏體不銹鋼磁性的影響3.3材料的低溫磁性能一些奧氏體不銹鋼，在低溫下塑性變形會(huì)誘發(fā)馬氏體相變。也有一些奧氏體不銹鋼，在低溫下變形不會(huì)誘發(fā)馬氏體相變，即其奧氏體相在整個(gè)低溫溫區(qū)是穩(wěn)定的。在液氦溫度下塑性變形對幾種材料相對磁化率的影響如圖所示。磁場對金屬材料低溫力學(xué)性能的影響3.3材料的低溫磁性能低溫材料基礎(chǔ)第一章：緒論第二章：材料低溫力學(xué)性能第三章：材料低溫物理性能第四章：金屬材料第五章：非金屬材料第六章：實(shí)用超導(dǎo)材料第七章：材料低溫力學(xué)性能測量方法第八章：材料低溫?zé)嵛锢砗碗妼W(xué)性能測量方法第四章金屬材料一、低溫馬氏體相變二、低溫“鋸齒”形流變?nèi)?、金屬材料氫脆四、鋼五、鎳基合金和高溫合金六、鈦和鈦合金七、鋁和鋁合金八、銅和銅合金（一）低溫馬氏體相變馬氏體相變最初是指由面心立方晶體結(jié)構(gòu)的奧氏體鋼（相）轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方結(jié)構(gòu)（BCC）或體心四方結(jié)構(gòu)（BCT）的馬氏體鋼（相）（α'）。后來，馬氏體相變演變?yōu)榉褐敢环N無擴(kuò)散或位移型的相變。按照定義，把基本特征屬馬氏體相變型產(chǎn)物統(tǒng)稱馬氏體。本節(jié)介紹金屬材料馬氏體相變，即重點(diǎn)介紹低溫、應(yīng)力或應(yīng)變誘發(fā)奧氏體不銹鋼的馬氏體相變。1.1馬氏體相變的基本特征奧氏體不銹鋼馬氏體相變，是指低溫、應(yīng)變或應(yīng)力誘發(fā)的馬氏體相變。圖4-1α'相和ε相馬氏體相變示意圖1.1馬氏體相變的基本特征圖4-2

奧氏體和幾種馬氏體形貌316LN奧氏體不銹鋼金相照片如圖4-2（a）所示。α'相馬氏體形貌有多種，如板條狀、片狀和薄板狀，分別如圖4-2（b）、圖4-2（c）和圖4-2（d）所示。1.1馬氏體相變的基本特征馬氏體往往在母相的一定晶面上開始形成，此晶面稱為慣習(xí)面。馬氏體和母相的相界面、中脊面都可能成為慣習(xí)面。對碳（C）質(zhì)量含量小于0.5%的鋼，慣習(xí)面通常為{111}γ。馬氏體相變源于原子遷移的協(xié)調(diào)剪切機(jī)制。從能量角度分析，馬氏體相變的驅(qū)動(dòng)力是母體奧氏體和產(chǎn)生馬氏體的亥姆霍茲自由能。在平衡溫度T0，母相和子相具有相同的自由能。當(dāng)溫度在T0以下，馬氏體轉(zhuǎn)變發(fā)生。馬氏體轉(zhuǎn)變開始發(fā)生的溫度稱為Tms，而全部轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的溫度稱為Tmf。當(dāng)冷卻至T0溫度以下但沒有發(fā)生馬氏體相變的情形稱為過冷，過冷與兩相自由能差別增大關(guān)聯(lián)。T0溫度以下的過冷度且自由能差別增大是為了馬氏體轉(zhuǎn)變開始對馬氏體剪切相變的依賴1.1馬氏體相變的基本特征相變過程中自由能轉(zhuǎn)化為熱能和儲(chǔ)能（內(nèi)能）。相變潛熱可以測量，也可通過相變焓確定。儲(chǔ)能的三種主要形式為應(yīng)變、界面和缺陷形成，缺陷形式主要包括位錯(cuò)和孿晶。在母體奧氏體相內(nèi)分散的位置馬氏體相成核并快速生長至平衡狀態(tài)時(shí)的尺寸和形貌。相變開始于溫度低于母相和子相熱力學(xué)平衡溫度時(shí)。晶核并不隨機(jī)分布。計(jì)算表明均勻分布成核需要相當(dāng)大的能量，其值遠(yuǎn)超熱漲落能。因此，各種成核始于具有低激活能壁壘的點(diǎn)。溫度、影響缺陷密度、缺陷形態(tài)或者母體相流變應(yīng)力的因素等都會(huì)影響馬氏體的相變1.1馬氏體相變的基本特征鐵基合金的馬氏體相變具有如下特征：馬氏體相變反應(yīng)速率與冷卻速率密切相關(guān)，一般高冷卻速率提高相變反應(yīng)速率。此類動(dòng)力學(xué)行為稱為非熱相變，通常發(fā)生在室溫以上。對Fe-Ni和Fe-Ni-C合金，馬氏體相變會(huì)突發(fā)性發(fā)生。通常，此類材料的馬氏體相變伴隨明顯的聲音發(fā)出。等溫相變。1.1馬氏體相變的基本特征馬氏體相變的剪切型原子遷移會(huì)產(chǎn)生宏觀形貌改變、特定形狀的馬氏體形貌，以及母相奧氏體和子相馬氏體特定的晶體學(xué)關(guān)系。這些變化可以通過光學(xué)顯微鏡甚至目測觀察到。表4-1奧氏體鋼中馬氏體含量表征方法1.2Fe-Ni-Cr系奧氏體不銹鋼的馬氏體相變Fe-Ni-Cr系奧氏體不銹鋼可用作20K甚至以下低溫結(jié)構(gòu)材料。然而，由于多數(shù)Fe-Ni-Cr系奧氏體不銹鋼是亞穩(wěn)態(tài)的，溫度、應(yīng)力或塑性變形都可能誘發(fā)馬氏體相變，即由具有面心立方晶體結(jié)構(gòu)的γ相轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂畜w心立方晶體或體心四方晶體結(jié)構(gòu)的

α'

相和具有六方密排結(jié)構(gòu)的

ε

相。其奧氏體的穩(wěn)定性與其化學(xué)組分、應(yīng)力、塑性應(yīng)變以及溫度等因素密切相關(guān)。馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度Tms可由Eichelman-Hull公式給出[1]，即Tms=1758?1667(mC+mN)?61.1mNi?41.7mCr?33.3mMn?27.8mSi?36.1mMo（K）

（4-1）式中，mNi等為對應(yīng)的元素質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。由式（4-1）可見，C、N、Ni、Cr、Mn等都是奧氏體穩(wěn)定元素，可顯著降低馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度。由式（4-1）還可以計(jì)算得到310系奧氏體不銹鋼的馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度Tms為?2000K，使其成為300系奧氏體不銹鋼中最穩(wěn)定的。1.2Fe-Ni-Cr系奧氏體不銹鋼的馬氏體相變Fe-Cr-Ni系奧氏體不銹鋼的奧氏體穩(wěn)定性對應(yīng)力?應(yīng)變行為和流變的溫度依賴性都有影響。圖4-3塑性變形量和溫度對301奧氏體不銹鋼馬氏體相變體積分?jǐn)?shù)的影響1.2Fe-Ni-Cr系奧氏體不銹鋼的馬氏體相變對亞穩(wěn)態(tài)Fe-Ni-Cr系奧氏體不銹鋼4～200K低溫，應(yīng)力?應(yīng)變行為分為三個(gè)不同階段。而具有穩(wěn)定奧氏體結(jié)構(gòu)的Fe-Ni-Cr不銹鋼則只有位錯(cuò)應(yīng)變硬化行為。圖4-4Fe-Ni-Cr系奧氏體不銹鋼應(yīng)變誘發(fā)馬氏體相變1.2Fe-Ni-Cr系奧氏體不銹鋼的馬氏體相變在應(yīng)力?應(yīng)變行為的第Ⅰ階段，通常不發(fā)生α'相變。而磁測量也未發(fā)現(xiàn)磁導(dǎo)率變化。在應(yīng)力?應(yīng)變行為的第Ⅱ階段，常發(fā)生所謂的“易滑移”并在交叉口處形成板條狀α'馬氏體。在應(yīng)力?應(yīng)變行為的第Ⅲ階段，材料的加工硬化率增大至某一常數(shù)，并在一個(gè)較大塑性形變范圍（20%～40%）維持不變。在第Ⅲ階段，α'馬氏體質(zhì)量分?jǐn)?shù)與塑性變形量成線性關(guān)系。圖4-5Fe-Ni-Cr奧氏體不銹鋼在應(yīng)變行為第I階段

的溫度依賴性1.2Fe-Ni-Cr系奧氏體不銹鋼的馬氏體相變圖4-6304L和316LN不同溫度下拉伸真應(yīng)力?應(yīng)變曲線及不同應(yīng)變下馬氏體質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.2Fe-Ni-Cr系奧氏體不銹鋼的馬氏體相變通常認(rèn)為彈性應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變行為與低溫冷卻誘發(fā)馬氏體相變一致。應(yīng)變誘發(fā)馬氏體相變相對較為復(fù)雜，可分為3個(gè)階段。每個(gè)階段的加工硬化率都有不同。表4-2300系Fe-Ni-Cr奧氏體不銹鋼的相變行為1.2Fe-Ni-Cr系奧氏體不銹鋼的馬氏體相變馬氏體相變對Fe-Ni-Cr系奧氏體不銹鋼的性能具有一系列影響，主要包括：1.體積膨脹2.磁性變化3.力學(xué)性能變化

（強(qiáng)度、韌性）圖4-7奧氏體穩(wěn)定性對拉伸應(yīng)力?應(yīng)變影響示意圖1.2Fe-Ni-Cr系奧氏體不銹鋼的馬氏體相變表4-3馬氏體相變對奧氏體不銹鋼斷裂韌性的影響1.2Fe-Ni-Cr系奧氏體不銹鋼的馬氏體相變Fe-Mn-Cr系奧氏體不銹鋼與Fe-Ni-Cr系奧氏體不銹鋼的低溫變形及低溫相變不同之處主要在于，前者主要發(fā)生孿晶和六方密排結(jié)構(gòu)的ε相馬氏體相變。對于Mn含量低于10%的Fe-Mn-Cr系奧氏體不銹鋼，其低溫相變行為與Fe-Ni-Cr系奧氏體不銹鋼的基本一致。其中對于Mn含量8%～10%的Fe-Mn-Cr系奧氏體不銹鋼，低溫可誘發(fā)板條狀馬氏體相變。對于Mn含量在10%～14%的Fe-Mn-Cr系奧氏體不銹鋼，低溫可誘發(fā)αˊ相和ε相馬氏體相變。對Mn質(zhì)量含量在14%～27%的Fe-Mn-Cr系奧氏體不銹鋼及奧氏體鋼，低溫誘發(fā)的馬氏體相變產(chǎn)生的量變少。對Mn質(zhì)量含量在28%～46%的Fe-Mn(-Cr)材料為全奧氏體鋼，不發(fā)生馬氏體相變。其中Mn質(zhì)量含量在26%～36%的鋼維持較高的低溫韌性其低溫可至20K甚至更低。當(dāng)Mn的質(zhì)量含量高于36%，其低溫韌性變差。（二）低溫“鋸齒”形流變“鋸齒”形不連續(xù)流變（屈服）是指拉伸、壓縮等應(yīng)力?應(yīng)變曲線（σ-ε）上發(fā)生的dσ/dε不連續(xù)行為。這種不連續(xù)屈服導(dǎo)致應(yīng)力?應(yīng)變曲線變化如“鋸齒”狀，因此常稱為“鋸齒”形流變。不連續(xù)屈服的顯著特征是載荷（應(yīng)力）隨時(shí)間不連續(xù)劇烈變化。在特定溫度和應(yīng)變速率范圍內(nèi)，多種金屬或合金材料在塑性變形過程中會(huì)出現(xiàn)特殊的塑性失穩(wěn)現(xiàn)象，即時(shí)域上的“鋸齒”形應(yīng)力流變和空域上的應(yīng)變局域化。

（二）低溫“鋸齒”形流變發(fā)生不連續(xù)屈服時(shí)，在宏觀時(shí)域上表現(xiàn)為應(yīng)力?應(yīng)變曲線上的“鋸齒”形振蕩，如圖4-8（a）所示；在空域上則主要表現(xiàn)為剪切帶的形成和傳播，造成材料塑性的降低和表面的凹凸不平，如圖4-8（b）所示。圖4-8奧氏體不銹鋼316LN液氦溫區(qū)拉伸應(yīng)力?應(yīng)變及剪切帶形成2.1Lüders屈服Lüders發(fā)現(xiàn)低碳鋼在室溫下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)明顯的屈服現(xiàn)象，即應(yīng)力升高到上屈服點(diǎn)后快速跌落到下屈服點(diǎn)。隨后拉伸應(yīng)力?應(yīng)變曲線會(huì)出現(xiàn)一個(gè)具有微小應(yīng)力起伏波動(dòng)的“鋸齒”形流變帶，伴隨試樣表面上Lüders帶的形成。當(dāng)應(yīng)力平臺(tái)區(qū)結(jié)束以后，加工硬化起主導(dǎo)作用，致使材料隨后的宏觀塑性變形變得均勻穩(wěn)定。圖4-9低碳鋼拉伸應(yīng)力?應(yīng)變曲線和試樣表面2.1Lüders屈服Lüders帶的形成和溶質(zhì)原子與位錯(cuò)相互關(guān)系有關(guān)。低碳鋼中位錯(cuò)被C、N原子釘扎并形成柯氏（Cottrell）氣團(tuán)。在塑性變形時(shí)，位錯(cuò)必須掙脫柯氏氣團(tuán)的束縛才能移動(dòng)，即需要加大外力才能引起屈服（上屈服點(diǎn)）。隨后，位錯(cuò)可以在較小的應(yīng)力下運(yùn)動(dòng)，從而在一個(gè)低應(yīng)力水平（下屈服點(diǎn)）下繼續(xù)變形。

2.2PLC效應(yīng)Portevin等在拉伸試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)金屬材料室溫及高溫下發(fā)生的不同于Lüders變形的新型不連續(xù)屈服現(xiàn)象，即應(yīng)力?應(yīng)變曲線上出現(xiàn)的連續(xù)反復(fù)振蕩的“鋸齒”形屈服現(xiàn)象，該現(xiàn)象也被稱為PLC效應(yīng)。圖4-10AA5083鋁合金室溫拉伸應(yīng)力?應(yīng)變曲線

2.2PLC效應(yīng)進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，PLC效應(yīng)導(dǎo)致的“鋸齒”形屈服包括6種不同形式（A-F），其中常見的5種如圖4-11所示。圖4-11PLC效應(yīng)導(dǎo)致的5種類型不連續(xù)屈服及實(shí)例

2.2PLC效應(yīng)表4-4PLC效應(yīng)導(dǎo)致的6種不連續(xù)屈服特征

2.2PLC效應(yīng)導(dǎo)致不連續(xù)屈服產(chǎn)生的7個(gè)可能原因[8]，包括：（1）位錯(cuò)密度或位錯(cuò)滑移速度的增加。位錯(cuò)滑移導(dǎo)致的塑性應(yīng)變速率為式中，ρm為參與滑移的位錯(cuò)密度，b為Burgers矢量，

為位錯(cuò)滑移平均速度。因此，當(dāng)位錯(cuò)密度ρm、位錯(cuò)滑移速度

任一或同時(shí)增加時(shí)都會(huì)導(dǎo)致不連續(xù)屈服。（2）可動(dòng)位錯(cuò)與動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效的相互作用?？蓜?dòng)位錯(cuò)與動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效的相互作用會(huì)導(dǎo)致位錯(cuò)密度ρm、位錯(cuò)滑移速率

任一或同時(shí)增加，從而導(dǎo)致不連續(xù)屈服。（3）可動(dòng)位錯(cuò)有序向無序轉(zhuǎn)變、漸變或調(diào)整。（4）孿晶變形的產(chǎn)生。（5）位錯(cuò)切割第二相粒子。（6）材料溫度的突變或溫度的不均勻傳遞。這種情形主要發(fā)生在低溫下。（7）應(yīng)力或應(yīng)變誘發(fā)相變。2.3低溫不連續(xù)屈服在常溫和高溫下具有連續(xù)、光滑的應(yīng)變硬化行為的金屬材料在液氦溫度下發(fā)生塑性變形不穩(wěn)定，如圖4-12所示。隨后，先后在有面心立方晶體結(jié)構(gòu)、體心立方晶體結(jié)構(gòu)、六方密排晶體結(jié)構(gòu)、金屬單晶和多晶材料等材料中發(fā)現(xiàn)了低溫不連續(xù)屈服現(xiàn)象。圖4-12單晶及多晶金屬材料液氦溫度下拉伸應(yīng)力?應(yīng)變曲線2.3低溫不連續(xù)屈服1．低溫不連續(xù)屈服的基本特征（1）材料開始出現(xiàn)不連續(xù)屈服的溫度Tse與材料、試驗(yàn)系統(tǒng)和應(yīng)變速率等因素相關(guān)。相同溫度下，試驗(yàn)應(yīng)變速率較低或較高時(shí)都不會(huì)發(fā)生低溫不連續(xù)屈服。不同溫度下，發(fā)生不連續(xù)屈服的應(yīng)變速率范圍不同。表4-5幾種材料的低溫不連續(xù)屈服開始溫度Tse圖4-14Cu-14at.%Al合金出現(xiàn)不連續(xù)屈服的溫度?應(yīng)變速率范圍圖4-13多晶鋁不同應(yīng)變速率下低溫拉伸應(yīng)力?應(yīng)變曲線[9]2.3低溫不連續(xù)屈服（2）金屬材料發(fā)生不連續(xù)屈服時(shí)會(huì)伴隨試樣溫度的顯著變化，如圖4-15所示。通常PLC效應(yīng)導(dǎo)致的不連續(xù)屈服則無此現(xiàn)象。此外，金屬材料發(fā)生低溫不連續(xù)屈服時(shí)還伴隨電阻值的跳躍，如圖4-16所示。圖4-15310S奧氏體不銹鋼不同冷卻介質(zhì)（液氦和超流氦）中拉伸應(yīng)力?應(yīng)變曲線及試樣溫度的變化圖4-16多晶鋁（99.5%）低溫不連續(xù)屈服時(shí)電阻變化2.3低溫不連續(xù)屈服（3）一些材料（如亞穩(wěn)態(tài)奧氏體不銹鋼）發(fā)生低溫不連續(xù)屈服時(shí)伴隨應(yīng)變或應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變或?qū)\晶生成。然而也有許多材料發(fā)生低溫不連續(xù)屈服時(shí)并不發(fā)生相變，如310、鋁合金等。（4）晶粒及晶界影響低溫不連續(xù)屈服行為。通過對具有不同晶粒尺寸的多晶鋁研究，發(fā)現(xiàn)晶粒粒徑降低，即晶界增大，可抑制低溫不連續(xù)屈服數(shù)量，但會(huì)增大應(yīng)力跳躍幅度，如圖4-17所示。圖4-17晶粒對對低溫不連續(xù)屈服的影響2.3低溫不連續(xù)屈服（5）冷卻介質(zhì)對低溫不連續(xù)屈服的影響。冷卻介質(zhì)的影響源于材料與冷卻介質(zhì)界面?zhèn)鳠嵋蛩亍ＭǔＯ嗤瑴囟鹊牡蜏匾后w比氣體熱容和熱導(dǎo)都高，且與金屬材料界面?zhèn)鳠嵝矢?。圖4-18冷卻介質(zhì)亞穩(wěn)態(tài)奧氏體不銹鋼對低溫不連續(xù)屈服的影響2.3低溫不連續(xù)屈服（6）材料雜質(zhì)含量對低溫不連續(xù)屈服開始溫度、不連續(xù)屈服數(shù)目以及幅度都有影響。圖4-19雜質(zhì)含量對單晶鋁、多晶鈦低溫不連續(xù)屈服的影響2.3低溫不連續(xù)屈服（7）樣品幾何尺寸對低溫不連續(xù)屈服的影響。當(dāng)試樣變?。〞r(shí)不連續(xù)屈服數(shù)目以及應(yīng)力跳躍幅度有所降低。這可能與冷卻介質(zhì)熱交換有關(guān)。圖4-20試樣直徑和冷卻介質(zhì)對低溫不連續(xù)屈服的影響2.3低溫不連續(xù)屈服（8）每一低溫不連續(xù)屈服都伴隨聲音釋放。此外，試驗(yàn)中人為聲音干預(yù)也能改變低溫屈服不連續(xù)行為，如改變Tse。（9）超導(dǎo)轉(zhuǎn)變對低溫不連續(xù)屈服也有影響。應(yīng)變速率和溫度相同的條件下，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變發(fā)生后材料不連續(xù)屈服變?nèi)跎踔料?，如Al、Pb、In、Sn、Al-Mg、Al-Mn、Al-Li和Sn-Cd等，但是超導(dǎo)轉(zhuǎn)變不影響材料的強(qiáng)度性質(zhì)。2.3低溫不連續(xù)屈服許多低溫金屬結(jié)構(gòu)材料如奧氏體不銹鋼等具有面心立方晶體結(jié)構(gòu)，研究表明這些材料的低溫不連續(xù)屈服還具有如下特性：（1）每一個(gè)不連續(xù)屈服包括4部分，即彈性變形、塑性屈服以及應(yīng)力弛豫階段［包括（Ⅰ）應(yīng)力突降和（Ⅱ）應(yīng)力緩慢降低兩個(gè)階段］，如圖4-21所示。塑性屈服階段試樣的溫度升高并不明顯。溫度升高階段主要發(fā)生在應(yīng)力緩慢降低階段。圖4-21單個(gè)不連續(xù)屈服放大以及試樣溫度變化對應(yīng)關(guān)系2.3低溫不連續(xù)屈服（2）對多數(shù)奧氏體不銹鋼，開始出現(xiàn)不連續(xù)屈服的溫度Tse約為35K，如圖4-22所示。圖4-22316LN不同溫度下應(yīng)力應(yīng)變曲線（?=2.4×10?4s?1）2.3低溫不連續(xù)屈服2．低溫不連續(xù)屈服機(jī)理對于低溫不連續(xù)屈服產(chǎn)生的機(jī)理，尚無完善和統(tǒng)一的解釋。接下來介紹目前存在的主要假說。1）熱力不穩(wěn)定性假說2）位錯(cuò)塞積群動(dòng)力學(xué)假說3．低溫不連續(xù)屈服與PLC效應(yīng)的異同低溫不連續(xù)屈服與PLC效應(yīng)都可表現(xiàn)為“鋸齒”形拉伸應(yīng)力?應(yīng)變曲線。低溫不連續(xù)屈服與PLC效應(yīng)有本質(zhì)不同。低溫不連續(xù)屈服與PLC效應(yīng)都與位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)相關(guān)。然而，造成PLC效應(yīng)的位錯(cuò)壁壘源于溶質(zhì)原子擴(kuò)散；造成低溫不連續(xù)變形的壁壘形成卻與擴(kuò)散無關(guān)。與PLC效應(yīng)比較，對低溫不連續(xù)屈服的機(jī)理解釋尚未成熟。（三）金屬材料氫脆金屬氫脆，指氫進(jìn)入金屬后引起材料塑性下降、誘發(fā)裂紋、產(chǎn)生滯后斷裂以及斷裂韌度下降的現(xiàn)象。氫對材料力學(xué)性能破壞的機(jī)理分為：一類是出現(xiàn)與氫相關(guān)的新物相并引起材料結(jié)構(gòu)破壞；另一類是沒有明顯的第二相出現(xiàn)，即稱之為氫脆效應(yīng)。氫脆效應(yīng)不涉及明顯的化學(xué)反應(yīng)或新相生成。目前氫脆機(jī)理的解釋主要包括氫增強(qiáng)的結(jié)合破壞和氫增強(qiáng)的局部塑性。氫脆有時(shí)還分為三類，即環(huán)境氫脆、內(nèi)部氫脆和反應(yīng)氫脆?？捎萌笨诶鞆?qiáng)度比、斷面收縮率比和斷后伸長率比來表征氫環(huán)境對材料斷裂性能的影響。圖4-23環(huán)境氫脆、內(nèi)部氫脆和反應(yīng)氫脆與外應(yīng)力關(guān)系示意圖（三）金屬材料氫脆表4-6三種氫脆的基本特征（四）鋼鋼是含碳量0.02%～2%之間的鐵碳合金。一般含碳量越高，硬度和強(qiáng)度就越高，但韌性尤其是低溫韌性顯著降低?？梢栽诘蜏叵率褂玫匿摲悍Q低溫鋼。1.低溫錳鋼和鎳鋼是在普通碳鋼的基礎(chǔ)上通過添加Mn元素或