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浅论低温对金属材料性能的影响

作者:未知

  摘要:在低温情况下,金属材料的力学性能会受到很大的影响。本文就如何对其韧性、脆性转化温度进行测定,其蠕变性的内外部影响因素等进行阐述,并介绍了低温金属材料的基本要求以及所应用的领域。
  关键词:金属材料;低温;性能影响;应用
   中图分类号:TU5 文献标识码:A
  随着科学技术的发展,低温技术也迅速地渗透到各个科学技术领域内,而且成为尖端科学技术的一个组成部分。低温技术的发展和应用,又伴随低温用材料,首先是金属材料的研究。近年来低温金属材料的机械性能的研究已成为材料学科的一个重要分支,各国科学工作者已做了不少工作。
  一、金属材料的特点
  温度降低,通过金属材料低温拉伸试验表明,金属材料会变得比降低温度前脆。
  常温下的脆性破坏与金属材料的冷脆断裂基本相同。断裂前无明显塑性变形,断口齐平,突然发生,裂纹起源于构件应力集中或材料组织中的缺陷处,并快速扩展。构件的冷脆破坏危害性极大,无法控制和预告,一旦发生,整个结构瞬间崩溃。
  在低温下并非所有的金属都会发生冷脆,金属的晶格类型与冷脆性有关。
  金属晶格有面心立方晶格、体心立方晶格、密排六方晶格等3种类型,见图1。
  
  图13种常见金属晶格结构
  立方体的8个顶角和6个面的中心在面心立方晶格上各有一个原子,铜、镍、银、金、铝及高温、合金下的铁(奥氏体钢)属于这种晶格;立方体的8个顶角和中心在体心立方晶格中各有1个原子,例如室温下的铁(普通钢材) 以及钨、铬、钼、钠;密排六方晶格棱体的中心平面有3个原子,12个顶角和上下底面的中心处各有1个原子,锌、镁、钛(α-Ti)均属这一类型。
  二、金属材料的低温蠕变的机理
  金属材料的低温蠕变是位错理论的发展。由活化能Q1和活化体积V1来分析比较各种金属材料的低温蠕变。Q1和V1分别有如下的表达式:
  
  式中,ε′为蠕变应变速率(s-1);:为作用在位错上的有效应力(MPa );Q1为活化能( J/mol);V1为活化体积(m3);k为玻尔兹曼常数:T为温度(K)。
  Q1、V1也可通过不。同应力加载速率和不同温度下的拉伸试验近似求出:
  
  式中,Q:为由拉伸试验计算出的活化能(J/mol ) :V:为由拉伸试验计算出的活化体积(m3); τ′为形变应力(MPa)。部份金属材料的活化能Q、活化体积V值见表1(表1中的Q0系零应力下克服障碍所需的活化能)。
  
  图 2金属材料的典型蠕变曲线
  这些理论用于解释不同金属材料在不同温度下的蠕变机理。位错交截机理就是加工硬化机理,塑性形变就是晶粒中位错的滑移。在位错的双扭折成核机理中,位错系克服晶格阻力进行运动。这个晶格阻力也称为皮尔斯(Peierls)势能,见图1。在此机理中,活化能和活化体积都比较小,图2中的b为金属物理中的柏格斯矢量(单位为m)。其中活化能约为扭折能量的数量级,在面心立方(FCC)金属中,活化能小于0,1eV:活化体积为扫描面积乘以位错高。在体心立方金属中,双扭折成核机理用于解释低温塑性形变的原因。因为这时的皮尔斯势能比密集堆积的应力大,是位错运动的主要阻力。在面心立方、六方金属中也同样存在这种机理。通过对铜的内摩擦试验,测出铜的双扭折能量为0,04eV:而蠕变试验中测量出来的数值为0,045eV。这就说明铜在低温下的稳态蠕变可用双扭折成核机理来解释。
  
  图3双扭折理论中,位错线克服皮尔斯势能示意图
  三、金属材料的低温蠕变数据及变化规律
  表1给出了部分金属材料的低温塑性形变的数据。图4给出了不同温度和应力下铜的蠕变速率。
  
  图4铜的稳态蠕变速率
  当所受的应力增加时,低温蠕变应力和蠕变速率都增加。温度越低,蠕变速率也越低。表1和表2为面心立方金属材料的低温塑性形变数据和六方金属材料的低温塑性形变数据
  表1面心立方金属材料的低通塑性形变数据
  
  表2六方金属材料的低温塑性形变数据
  
  四、金属的韧性—脆性转变
  总希望在工程应用中,避免危险的脆性断裂,结构件处于韧性状态。这不仅取决于材料本身的合金种类、组织结构、结晶粒度、成分等,还取决于工作温度、应力状态、加载速率等外部因素。
  (一)、温度、应力和加载速率的影响
  切口试件的切口根部处于易发生脆性断裂,多向拉伸应力状态,且韧—脆转变温度提高,这不利于构件的安全服役。低于临界温度,发生脆性断裂;在室温或高温下,普通碳钢断裂前有较大的塑性变形,是韧断。加载速率提高,易增加脆性倾向,激发解理断裂。因此,诱发材料脆断的3个因素是低温、切口和高速加载。
  (二)、金属材料微观结构的影响
  对冲击韧性和韧—脆转化温度由于钢的成分、组织和冶金质量有很大的影响。晶格类型的影响。面心立方晶格的金属韧性好、塑性性,是因为该金属滑移系多,而且不会解理断裂,易出现多系滑移,也没有韧—脆转变。它的韧性状态,常用于低温结构工程,可以维持到低温。
  体心和密排六方晶格的金属韧性较差、塑性,韧—脆转变受加载速率及温度的影响很大,在高加载速率和低温下,易激发解理断裂、发生孪晶。溶于体心立方晶格中微量的氧、氮及间隙原子都会阻碍滑移,促进其脆断。
  实践证明,在低温下金属的性能与常温表现不同,随着温度的降低或升高,物体的某些机械性质发生变化。常温下,金属材料中原子的结合弹性好,较疏松,对金属的外部冲击能量能吸收较多;原子在低温情况下,由于弹性差,结合得较紧密,外来能量只能吸收极少,材料因其原子周围的 “粘结力”减弱和自由电子活动能力而呈现脆性。因此,低温下的材料容易脆断。
  低温韧性指标规定: -40℃时,冲击韧性必须不小于3 (kg·m) /cm2。服役的零件,在低温下最低工作温度一定要比材料的临界脆化温度大。工作温度对于重要零件,一定要高于韧-脆转化温度67℃。
  五、低温材料的应用
  工程上,一般将达到永久形变的0,2%形变作为材料的屈服数据,因此,也可将蠕变形变达0,2%永久形变作为蠕变的极限。从表1至表3可知不少材料的α值很小。代入公式后算出约需15年才可达到0,2%永久形变。这样的低温结构材料是很稳定的。蠕变对其没有什么影响。但在稳态蠕变中,铜的蠕变速率为10-10/s。只需0,63年就可达到0,2&永久形变(77~90K)。一旦超过这一极限,材料将进入第三阶段蠕变,很快会导致材料断裂。因此,低温蠕变数据为判断金属材料的低温寿命的重要数据之一。
  低温用钢按化学成分不同分为3类:中合金钢、低合金铁素体钢及高合金奥氏体钢。工程结构寒冷地区的材料通常采用低合金铁素体钢。
  面心立方晶格的奥氏体不锈钢和铝、铜合金是非冷脆材料的“主力”,是非常优良的低温材料,尤其是不锈钢。从食品冷冻工业到-100℃的分离装置、天然气分馏;从液态空气分离设备到液体燃料火箭推进器,都有广泛的应用。
  碳、磷、氧等杂质元素会导致冷脆性的加剧,因此低温钢冶炼对杂质含量必须控制。而加入定量的硅、镍、锰等元素对低温性能可以改善,它们降低临界脆性温度,使晶粒变细。为了消除各个方向性能上的差异,提高低温钢的质量,生产低温钢板可以采用横向和纵向交替轧制的方法。
  低碳马氏体型低温用钢属于该类钢的主要合金元素9%Ni(1Ni9),从公布的资料来看,合金元素镍可以部分替代元素碳而改善铁素体的低温韧性、从而降低TC。为了保证钢的韧性和塑性,必须限制碳、氮的含量。
  结束语
  目前,美、苏各国都在尽力研制新牌号的钛合金,他们只注重性能,不注重成分。相信随着科技的发展,我国在低温用材料的研究方面,会更加深入,更加广泛的研究与应用。
  参考文献
  [1]赵丽. 金属材料高温力学行为研究[D].太原科技大学,2013.
  [2]白端. 关于低温金属管道焊缝检验的探讨[J]. 炼油技术与工程,2011,06:26-29.

论文来源:《城市建设理论研究》 2014年3期
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