《低溫材料基礎(chǔ)》 課件 第四章 金屬材料

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(cè)量方法第八章：材料低溫?zé)嵛锢砗碗妼W(xué)性能測(cè)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(lái)，馬氏體相變演變?yōu)榉褐敢环N無(wú)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(kāi)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(duì)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?cè)从谠舆w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(kāi)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(méi)有發(fā)生馬氏體相變的情形稱為過(guò)冷，過(guò)冷與兩相自由能差別增大關(guān)聯(lián)。T0溫度以下的過(guò)冷度且自由能差別增大是為了馬氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始對(duì)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(guò)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(cè)量，也可通過(guò)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(zhǎng)至平衡狀態(tài)時(shí)的尺寸和形貌。相變開(kāi)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(duì)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(guò)光學(xué)顯微鏡甚至目測(cè)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(kāi)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(duì)應(yīng)的元素質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。由式（4-1）可見(jiàn)，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(kāi)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(kāi)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(duì)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(duì)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(duì)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?cè)趹?yīng)力?應(yīng)變行為的第Ⅰ階段，通常不發(fā)生α'相變。而磁測(cè)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(guò)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(jiàn)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(wú)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(kāi)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(kāi)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(wú)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(guò)對(duì)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(duì)對(duì)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(duì)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?。通常相同溫度的低溫液體比氣體熱容和熱導(dǎo)都高，且與金屬材料界面?zhèn)鳠嵝矢摺D4-18冷卻介質(zhì)亞穩(wěn)態(tài)奧氏體不銹鋼對(duì)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(duì)低溫不連續(xù)屈服開(kāi)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)應(yīng)關(guān)系2.3低溫不連續(xù)屈服（2）對(duì)多數(shù)奧氏體不銹鋼，開(kāi)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(duì)于低溫不連續(xù)屈服產(chǎn)生的機(jī)理，尚無(wú)完善和統(tǒng)一的解釋。接下來(lái)介紹目前存在的主要假說(shuō)。1）熱力不穩(wěn)定性假說(shuō)2）位錯(cuò)塞積群動(dòng)力學(xué)假說(shuō)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(wú)關(guān)。與PLC效應(yīng)比較，對(duì)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(duì)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(méi)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。可用缺口拉伸強(qiáng)度比、斷面收縮率比和斷后伸長(zhǎng)率比來(lái)表征氫環(huán)境對(duì)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(guò)添加Mn元素或Ni元素以提高低溫強(qiáng)度和韌性得到，目前，針對(duì)低溫錳鋼和鎳鋼的研究主要集中在經(jīng)濟(jì)性、有效地降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度，包括有效調(diào)控化學(xué)成分以實(shí)現(xiàn)節(jié)鎳而保持低溫韌度、晶粒細(xì)化以提高低溫韌性等。圖4-24CMn鋼及Ni鋼（四）鋼CMn鋼：一般用途的CMn鋼含有中等質(zhì)量含量0.2%的C元素和約1.5%的Mn元素。此類鋼通常采用Si或Al脫氧，且通常細(xì)晶以優(yōu)化韌性。CMn鋼具有珠光體相，室溫屈服強(qiáng)度可達(dá)500MPa。CMn鋼易被腐蝕，通常采用涂層或鍍鋅以提高耐蝕性。鎳鋼：按Ni含量不同，鎳鋼通常分為幾類。一類是Ni質(zhì)量含量為1.5%～3.5%的鎳鋼。另一類鎳鋼是9%Ni鋼。圖4-255%Ni鋼和9%Ni鋼斷裂韌度K(J)Ic隨溫度的變化（四）鋼2.馬氏體時(shí)效鋼：是以無(wú)C或微C板條狀馬氏體為基體（C質(zhì)量含量一般在0.003%以下），通過(guò)時(shí)效產(chǎn)生金屬間化合物以實(shí)現(xiàn)沉淀硬化的超高強(qiáng)度鋼。這與通過(guò)增加C質(zhì)量含量以控制C的過(guò)飽和固溶或碳化物沉淀來(lái)提高硬度和強(qiáng)度的強(qiáng)化途徑不同。馬氏體時(shí)效鋼依賴時(shí)效產(chǎn)生的金屬間化合物沉淀硬化，可以兼顧強(qiáng)度和韌性。馬氏體時(shí)效鋼在時(shí)效前就具有較高的韌性，且可保持至液氮溫區(qū)。3.不銹鋼：不銹鋼是指一系列在空氣、水、鹽等溶液、酸以及其他腐蝕介質(zhì)中具有高度化學(xué)穩(wěn)定性的鋼種。影響不銹鋼相的關(guān)鍵元素是Cr和Ni。圖4-26不銹鋼分類示意圖（四）鋼2.奧氏體鋼和奧氏體不銹鋼：奧氏體鋼是指在室溫下具有穩(wěn)定奧氏體組織的鋼。鋼中加入合金元素如Ni、Mn、N和Cr等能使正火后的合金具有穩(wěn)定的奧氏體組織。奧氏體鋼的主要合金元素包括金屬元素Cr、Mn、Ni、Al、Mo、Nb、V、Co和非金屬C、N和Si等。不同合金元素對(duì)奧氏體鋼的熱力學(xué)性能及相變過(guò)程、組織和穩(wěn)定性、形變與斷裂特性等力學(xué)性能的行為影響是不同的。圖4-27不同間隙元素及N對(duì)奧氏體不銹鋼屈服強(qiáng)度的影響（四）鋼（1）Fe-Ni-Cr系：所有奧氏體鋼都可以看作是由Fe-Ni-Cr系的18Cr8Ni(302)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，傳統(tǒng)的Fe-Ni-Cr奧氏體強(qiáng)度不足，不能滿足未來(lái)受控核聚變對(duì)低溫結(jié)構(gòu)材料的要求，為提高低溫強(qiáng)度，發(fā)展了N增強(qiáng)型Fe-Ni-Cr系奧氏體不銹鋼。（2）Fe-Mn-Cr系奧氏體不銹鋼和Fe-Mn系奧氏體鋼：采用Fe-Mn-Cr系奧氏體不銹鋼替代Fe-Ni-Cr系奧氏體不銹鋼用作核聚變低溫結(jié)構(gòu)材料，不僅能大幅度降低成本，同時(shí)也具有優(yōu)良的抗腫脹性能，特別是可以顯著減少長(zhǎng)期殘留有害的放射線污染，這為磁約束核聚變裝置的例行維護(hù)和廢物處理提供了方便。（五）鎳基合金和高溫合金鎳基合金廣泛用于航空航天、核工程等領(lǐng)域。鎳基合金中的高溫合金是以Fe-Co-Ni為基體的一類高溫合金結(jié)構(gòu)材料，可以在600℃以上高溫環(huán)境服役，并能同時(shí)承受苛刻的機(jī)械應(yīng)力。高溫合金具有良好的高溫強(qiáng)度，良好的抗氧化和抗熱腐蝕性能，優(yōu)異的蠕變與疲勞抗力，良好的組織穩(wěn)定性和使用可靠性。很多鎳基合金和高溫合金兼具優(yōu)良的低溫力學(xué)性能，特別是具有較高的室溫和低溫抗拉強(qiáng)度，因此已用于低溫系統(tǒng)。按成分鎳基合金可分為以下幾類：Ni-Cu系，Ni-Mo系，Ni-Cr系Ni-Cr系還可細(xì)分為3個(gè)系列：（1）Ni-Cr-Mo系，如HastelloyC系列等；（2）Ni-Cr-Si系，如HastelloyD；（3）Ni-Cr-Fe系，如Inconel600、690、718系列等。（六）鈦和鈦合金鈦有兩種同質(zhì)異晶體，在882℃以下為具有六方密排晶體結(jié)構(gòu)的α相，882℃以上為具有體心立方晶體結(jié)構(gòu)的β相。鈦合金是以鈦基體為基礎(chǔ)加入其他元素組成的合金。鈦及鈦合金具有密度小（約4.5g/cm3）、比強(qiáng)度高、耐腐蝕等一系列性能，廣泛用于航空航天、能源、化學(xué)、醫(yī)療等領(lǐng)域。由于兼具無(wú)磁、低熱膨脹系數(shù)、低熱導(dǎo)、低彈性模量等特性，鈦及鈦合金在低溫領(lǐng)域也具有重要應(yīng)用表4-7傳統(tǒng)鈦合金和高性能鈦合金基本性能（六）鈦和鈦合金傳統(tǒng)鈦合金的合金元素：工業(yè)用鈦合金的主要合金元素有三類（1）Al、C、O、N等穩(wěn)定α相和提高相轉(zhuǎn)變溫度的元素。（2）Mo、Nb、V、Cr、Mn、Cu等穩(wěn)定β相和降低相變溫度的元素。（3）對(duì)相變溫度影響不大的中性元素。圖4-28鈦合金合金元素及其作用（六）鈦和鈦合金傳統(tǒng)鈦合金α相鈦合金：α相鈦合金高溫性能好，組織穩(wěn)定，焊接性能好，是耐熱鈦合金的主要組成部分。α相鈦合金常溫強(qiáng)度低，塑性不高。α+β相鈦合金：α+β相鈦合金可進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，常溫強(qiáng)度高，中等溫度的耐熱性能優(yōu)良，但其組織不穩(wěn)定，焊接性能差。β相鈦合金：β相鈦合金塑性加工性能好，當(dāng)合金濃度適當(dāng)時(shí)，通過(guò)熱處理可獲得高常溫力學(xué)性能，是重要的高強(qiáng)度鈦合金。傳統(tǒng)鈦合金的相變馬氏體相變?chǔ)叵嘧儊喎€(wěn)相分解（六）鈦和鈦合金傳統(tǒng)鈦合金的低溫應(yīng)用：一般地，α相鈦合金和近α相鈦合金的韌脆轉(zhuǎn)變溫度普遍很低，因此在低溫也有很好的塑性。目前國(guó)內(nèi)外使用的幾種低溫鈦合金基本屬于α相鈦合金和近α相鈦合金。這些鈦合金的低溫韌性比較好，能用于液氫、液氦溫區(qū)，如液體氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)儲(chǔ)氫容器、氫泵葉輪等結(jié)構(gòu)材料。（七）鋁和鋁合金7.1鋁合金的分類鋁的合金元素主要包括Cu、Zn、Mg、Si、Mg、Li及稀土元素等。這些合金元素在固態(tài)鋁中的溶解度一般都是有限的。因此，鋁合金的組織中除形成鋁基固溶體外，還會(huì)有第二相。圖4-29鋁合金分類示意圖（七）鋁和鋁合金7.1.1變形鋁合金圖4-30變形鋁合金主要合金元素及合金系4-8變形鋁牌號(hào)及主要合金元素（七）鋁和鋁合金7.1.1變形鋁合金變形鋁合金可分為兩類：（1）不能通過(guò)熱處理強(qiáng)化的鋁合金，即合金元素的含量小于圖4-35中的D點(diǎn)成分的合金。這類鋁合金具有良好的抗蝕性能，因此也常用作防銹鋁。（2）能通過(guò)熱處理強(qiáng)化的鋁合金，即合金元素處于B點(diǎn)和D點(diǎn)之間的合金。這類鋁合金可通過(guò)熱處理顯著提高力學(xué)性能，主要有硬鋁、超硬鋁和鍛鋁。鋁合金的熱處理強(qiáng)化與鋼的淬火工藝操作基本類似，但強(qiáng)化機(jī)理有本質(zhì)不同。鋁合金淬火加熱時(shí)，不和鋼一樣發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，因此，鋁合金的淬火處理也稱為固溶處理，由于硬而脆的第二相消失，所以塑性有所提高。鋁合金經(jīng)固溶處理后，可獲得過(guò)飽和固溶體。在隨后的室溫放置或低溫加熱保溫時(shí)，第二相從過(guò)飽和固溶體中析出，引起強(qiáng)度、硬度以及物理和化學(xué)性能的明顯變化，這一過(guò)程被稱為時(shí)效。綜上，鋁合金的熱處理強(qiáng)化實(shí)際上包括了固溶處理與時(shí)效處理兩部分。（七）鋁和鋁合金Al合金系時(shí)效過(guò)程的過(guò)渡階段包括：（1）形成Cu原子富集區(qū)，即G.P.區(qū)；（2）G.P.區(qū)有序化，形成θ"相；（3）形成過(guò)渡相θ'；（4）形成穩(wěn)定析出相θ。影響鋁合金時(shí)效強(qiáng)化的主要因素有時(shí)效溫度、時(shí)效時(shí)間、淬火工藝表4-9幾種鋁合金系時(shí)效過(guò)程的過(guò)渡階段和穩(wěn)定析出相（七）鋁和鋁合金7.1.2鑄造鋁合金鑄造鋁合金應(yīng)具有較高的流動(dòng)性，較小的收縮性，熱軋、縮孔和疏松傾向小等良好的鑄造性能。成分處于共晶點(diǎn)的合金具有最佳的鑄造性能。然而，此時(shí)合金組織中會(huì)出現(xiàn)大量硬而脆的化合物，導(dǎo)致合金的塑性急劇降低，脆性急劇增加。因此，實(shí)際使用的鑄造合金并非都是共晶合金，其與變形鋁合金相比，只是合金元素更高一些。多數(shù)鑄造鋁合金都能采用熱處理強(qiáng)化。由于鑄造鋁合金具有形狀復(fù)雜、組織偏大、偏析嚴(yán)重等特點(diǎn)，其熱處理與變形鋁合金的不同。（七）鋁和鋁合金7.2鋁合金低溫性能鋁及鋁合金具有面心立方結(jié)構(gòu)，因此無(wú)低溫韌脆轉(zhuǎn)變，低溫下仍能保持強(qiáng)度、塑性和韌性。多數(shù)變形鋁都可以用于低溫領(lǐng)域。7.2.1鋁合金低溫力學(xué)性能隨著溫度降低，鋁合金屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度上升，一些鋁合金屈服強(qiáng)度隨溫度降低的變化如圖4-37所示。4-31幾種變形鋁合金屈服強(qiáng)度隨溫度的變化隨溫度降低，多數(shù)鋁合金塑性變化不大。但7※※※系鋁合金4K斷面收縮率較室溫下將有50%左右。（七）鋁和鋁合金7.2.1鋁合金低溫力學(xué)性能與奧氏體不銹鋼等面心立方結(jié)構(gòu)金屬類似，鋁合金斷裂韌度隨溫度降低變化不大。評(píng)價(jià)斷裂韌度的定量方法是測(cè)試其平面應(yīng)變斷裂韌度，一些鋁合金的低溫（77K）平面應(yīng)變斷裂韌度與屈服強(qiáng)度關(guān)系如圖4-38所示。4-32幾種鋁合金的低溫（77K）平面應(yīng)變斷裂韌度與屈服強(qiáng)度關(guān)系隨溫度降低，鋁合金在低溫恒載荷控制模式下的疲勞強(qiáng)度增加；多數(shù)鋁合金的疲勞裂紋擴(kuò)展速率（da/dN）變小。（七）鋁和鋁合金7.2.2鋁合金低溫物理性能純鋁的熱導(dǎo)及電導(dǎo)較高，可用作低溫傳導(dǎo)用途。鋁及鋁合金不同溫度下的電阻率如圖4-39所示。純度99.9999%（6N）的鋁剩余電阻率RRR可達(dá)13000，在6K溫度下熱導(dǎo)率可達(dá)4000W/m·K。圖4-33鋁及鋁合金不同溫度下電阻率（八）銅和銅合金8.1銅合金分類變形銅合金按化學(xué)成分主要分為紫銅、黃銅、青銅和白銅四類。銅和銅合金的主要處理狀態(tài)：（1）冷變形，指在再結(jié)晶溫度以下通過(guò)機(jī)械變形得到應(yīng)變硬化的銅合金。（2）應(yīng)變硬化，通過(guò)永久冷變形實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)、提高硬度和降低延性。（3）殘余應(yīng)力釋放，指不引發(fā)再結(jié)晶前提下熱處理實(shí)現(xiàn)應(yīng)力釋放，或不引起顯著尺寸變化前提下機(jī)械處理實(shí)現(xiàn)應(yīng)力釋放。（4）拉應(yīng)力釋放，指通過(guò)熱處理對(duì)冷拔銅合金進(jìn)行應(yīng)力釋放