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浅论低温对金属材料性能的影响

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金属 材料低 温拉 伸试验 表 明 ， 温度 降低 ， 属材 金 料 会发生 由韧变 脆 的现象 。 金属 材料 的冷脆 断裂与 常温下 的脆性 破坏 基本 相 同。断 裂 前 无 明显 塑 性 变形 ， 然 发 生 ， 口齐 突 断 平 ， 纹起 源于材 料组 织 中的 缺 陷或 构 件 应力 集 中 裂 处 ， 快速 扩展 。构件 的冷脆 破坏无 法预告 和控 制 ， 并
中心 平面有 ３个原 子 ， 、 、 （ —Ｔ ） 属 这 一 锌 镁 钛 ｉ均
有“ 错” 位 现象 ， 度 降低 时 ， 心 和六 方 晶格 中 的 温 体
某 些杂 质元 素 （ 氧 、 、 等 ） 位错 区聚集 ， 加 如 碳 氢 在 增 了滑移 阻力 。在外 力作用 下 ， 材料组 织开始 被破 坏 ，
另一 种 确 定 韧一脆 转 化 温 度 的 方 法 是 断 口形
系滑移 ， 不会解 理断裂 ， 也没有 韧一脆 转 变 。它 的韧 性 状态 ， 以维 持到低 温 ， 用于低 温结 构工程 。 可 常
体心 和密 排 六 方 晶格 的金 属 塑 性 、 性 较 差 ， 韧
将 低温性 能不 同 的材 料分 别称 为冷脆 材料和 非 冷脆材 料 。体 心 和 密 排 六 方 晶格 的金 属 是 冷 脆 材
李 红 英 （９ ５ ） 女 ， 验 师 ，３０ ３山西 省 大 同市 新 平 旺 同 泉 １６一 ， 实 ０ ７０
路 ５ ２号 。
１２ 韧一脆 转化 温度 的试验 测定 ． 结 构 钢低温脆 性研 究 的主要 问题是用 冲击 试验
晶格 的 晶面原 子少 ， 列 稀 疏 ， 移 阻力 较 大 ， 排 滑 金属 变形 困难 ， 表现 出脆性 。此外 ， 子在 晶格 中的排列 原
体 心立方 晶格 的立方 体 的 ８个顶 角和 中心各 有
１ 原子 ， 个 例如 钨 、 、 、 以及 室 温 下 的铁 （ 通 铬 钼 钠 普 钢材 ） 面心立 方 晶格 的立 方体 的 ８个顶角 和 ６个 面 ； 的 中心各 有一 个原子 ， 、 、 、 、 铜 银 镍 金 铝及 合金 、 温 高 下 的铁 （ 氏体 钢 ） 于这 种 晶格 ； 排六 方 晶格 棱 奥 属 密 体的 １ ２个顶 角和上 下底 面 的中心处各 有 １个原 子 ，
韧一 脆 性转 变的 内外部影 响 因素进行 了重 点介 绍 ， 出 了低 温材料 的基本 性 能要 求 与应 用领 域 。 指
关键 词 ： 属材料 ； 金 冷脆 性 ； 晶格 类型 ； 一脆 转 变温度 韧
低温 脆性是 金 属材 料 的重 要特 性 之 一 ， 属及 金 合 金 的断裂韧性 随屈 服强 度的增加 而减 少 。
温脆性 。低温 下强 度 指 标增 加 ， 性 和 塑性 指 标 不 韧 变 或稍 有增加 。如 Ａ 合 金 薄板 在 液 氮温 度 下 仍 有 ｌ
相 当 的塑性 ， 而切 口敏感性 较低 。 根 据位 错 理论 ， 当作 用在 晶体上 的外力 超 过一
定 限度 时 ， 反 向力 的 ２个 部分 便 沿 着某 一 晶面 滑 受
确定韧一 脆 转 化 温度 。将 带 有 Ｖ型槽 的 方 试 样 浸 入不 同温度 的液体 中 ， 后 迅 速将 它 们 移 至设 备 上 然
１ １ ３
总第 ５ ４期 ０
现代矿 业
２ １ 年 ４月第 ４期 ０ １
进行 试验 。结果表 明 ， 心 立方 金 属有 较 高 的 冲击 面
１ 金属 的冷脆 性
料 ， 着温度 的 降低 ， 度 指标 增 加 ， 性 和韧 性 指 随 强 塑
标下降， 变为 脆性 状 态 。低 温脆 性 主 要 发 生在 结 构 钢件 中 ， 素体 、 光体 及马 氏体钢 最为 敏感 。 铁 珠 面心 立方 晶格 的金 属 是非 冷脆 材 料 ， 不发 生 低
移 ， 图 ２ 见 。
危 害性极 大 ， 一旦 发生 ， 间整 个结 构崩溃 。 瞬 并 非 所有 的金属 在 低温 下 都会 发 生 冷脆 ， 属 金
的冷脆 性与 晶格类 型有关 。 金 属 晶格 有体 心立方 晶格 、 面心立 方 晶格 、 密排
六 方 晶格等 ３种 类型 … ， 图 １ 见 。
Ｓ ｌ ｏ５４ ｅ ａ Ｎ ．０ ｉ
现
代
矿
业
总 第 ５４期 ０ ２ １ 年 ４月 第 ４期 ０１
Ｍ ０ＤＥＲＮ Ｉ ＮＧ Ｍ ＮＩ
浅论 低 温对金 属 材料 性 能的影 响
李 红英
（ 同大学煤炭 工程 学院） 大
摘
要： 介绍 了金 属材 料低 温 下的力 学性能 变化和韧 一脆 转化 温度 的测 定方 法 ， 对影 响金属 的
性 、 性好 ， 因 为该 金属 滑 移 系 多 ， 韧 是 而且 易 出现多
值， 且对 温度不 敏感 。体 心立 方 金属 有 明显 的脆性
转变温度 ， 在该 温 度下 呈 现 脆性 。利 用 切 口冲击韧 性对材料 内部组 织 变 化 的敏感 性 ， 以确定 结 构 钢 可 的冷 脆倾 向及 韧一 脆转 变 温度 ， 低 温结 构设 计 时 供 选 用材料 和抗 脆断作 参考 。
在 位错 区形成 裂 口， 而原 子来不及 移 动 ， 以裂 口很 所 快 扩展 。面心 晶格 金 属 由于 滑 移 阻力 小 ， 开 部分 断 的原子通 过滑 移调 整位置 ， 使裂 口头部 不再尖 锐 ， 从
而 阻止 了裂纹 的扩展 ， 以韧性较 好 。 所
类 型。 １ １ 低温下 金属力 学性 能的变 化 ．
（） 心 立 方 品 格 ａ体
（） ｂ面心 立 方 晶格
国 画
（） 排 六 方 晶格 ｃ密
图 ２ 受 反 向力 的 金属 晶体 滑 移 示 意
面心 晶格 由于 晶 面原 子 比较 多 ， 原 子 滑移 ２排
图 １ ３种 常 见 金 属 晶 格 结 构
时 阻力小 ， 易产 生变 形 ， 金属 韧性 好 。而体心 和六方

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钢材在低温、中温、高温下,性能不同

钢材在低温、中温、高温下,性能不同

钢材在低温、中温、⾼温下,性能不同3.3.1 温度不同⽤途的压⼒容器的⼯作温度不同。

钢材在低温、中温、⾼温下，性能不同。

⾼温下，钢材性能往往与作⽤时间有关。

介绍⼏种情况的影响:⼀、短期静载下温度对钢材⼒学性能的影响1、⾼温下在温度较⾼时，仅仅根据常温下材料抗拉强度和屈服点来决定许⽤应⼒是不够的，⼀般还应考虑设计温度下材料的屈服点。

2、低温下随着温度降低，碳素钢和低合⾦钢的强度提⾼，⽽韧性降低。

当温度低于20℃时，钢材可采⽤20℃时的许⽤应⼒。

韧脆性转变温度——（或脆性转变温度）当温度低于某⼀界限时，钢的冲击吸收功⼤幅度地下降，从韧性状态变为脆性状态。

这⼀温度常被称为韧脆性转变温度或脆性转变温度。

图3-3 温度对低碳钢⼒学性能的影响(图3-4 低碳钢冲击吸收功和温度的关系曲线)低温变脆的⾦属：具有体⼼⽴⽅晶格的⾦属如碳素钢和低合⾦钢。

低温仍有很⾼韧性的⾦属：⾯⼼⽴⽅晶格材料如铜、铝和奥⽒体不锈钢，冲击吸收功随温度的变化很⼩，在很低的温度下仍具有⾼的韧性。

⼆、⾼温、长期静载下钢材性能蠕变现象：在⾼温和恒定载荷的作⽤下，⾦属材料会产⽣随时间⽽发展的塑性变形，这种现象被称为蠕变现象。

⼀定的应⼒作⽤下，碳素钢（>420度）合⾦钢(>400-500度)时发⽣蠕变。

蠕变的危害:蠕变的结果是使压⼒容器材料产⽣蠕变脆化、应⼒松弛、蠕变变形和蠕变断裂。

因此,⾼温压⼒容器设计时应采取措施防⽌蠕变破坏发⽣。

1、蠕变曲线蠕变曲线三阶段：减速蠕变，恒速蠕变，加速蠕变。

oa线段——试样加载后的瞬时应变。

a点以后的线段——从a点开始随时间增长⽽产⽣的应变才属于蠕变。

蠕变曲线上任⼀点的斜率表⽰该点的蠕变速率。

ab为蠕变的第⼀阶段:即蠕变的不稳定阶段，蠕变速率随时间的增长⽽逐渐降低，因此也称为蠕变的减速阶段。

bc为蠕变的第⼆阶段: 图3-5 蠕变应变与时间的关系在此阶段，材料以接近恒定蠕变速率进⾏变形，故也称为蠕变的恒速阶段。

钢材在低温、中温、高温下-性能不同

钢材在低温、中温、高温下-性能不同

3.3.1 温度不同用途的压力容器的工作温度不同。

钢材在低温、中温、高温下，性能不同。

高温下，钢材性能往往与作用时间有关。

介绍几种情况的影响:一、短期静载下温度对钢材力学性能的影响1、高温下在温度较高时，仅仅根据常温下材料抗拉强度和屈服点来决定许用应力是不够的，一般还应考虑设计温度下材料的屈服点。

2、低温下随着温度降低，碳素钢和低合金钢的强度提高，而韧性降低。

当温度低于20℃时，钢材可采用20℃时的许用应力。

韧脆性转变温度——（或脆性转变温度）当温度低于某一界限时，钢的冲击吸收功大幅度地下降，从韧性状态变为脆性状态。

这一温度常被称为韧脆性转变温度或脆性转变温度。

图3-3 温度对低碳钢力学性能的影响(图3-4 低碳钢冲击吸收功和温度的关系曲线)低温变脆的金属：具有体心立方晶格的金属如碳素钢和低合金钢。

低温仍有很高韧性的金属：面心立方晶格材料如铜、铝和奥氏体不锈钢，冲击吸收功随温度的变化很小，在很低的温度下仍具有高的韧性。

二、高温、长期静载下钢材性能蠕变现象：在高温和恒定载荷的作用下，金属材料会产生随时间而发展的塑性变形，这种现象被称为蠕变现象。

一定的应力作用下，碳素钢（>420度）合金钢(>400-500度)时发生蠕变。

蠕变的危害:蠕变的结果是使压力容器材料产生蠕变脆化、应力松弛、蠕变变形和蠕变断裂。

因此,高温压力容器设计时应采取措施防止蠕变破坏发生。

1、蠕变曲线蠕变曲线三阶段：减速蠕变，恒速蠕变，加速蠕变。

oa线段——试样加载后的瞬时应变。

a点以后的线段——从a点开始随时间增长而产生的应变才属于蠕变。

蠕变曲线上任一点的斜率表示该点的蠕变速率。

ab为蠕变的第一阶段:即蠕变的不稳定阶段，蠕变速率随时间的增长而逐渐降低，因此也称为蠕变的减速阶段。

bc为蠕变的第二阶段: 图3-5 蠕变应变与时间的关系在此阶段，材料以接近恒定蠕变速率进行变形，故也称为蠕变的恒速阶段。

cd为蠕变的第三阶段:在这阶段里蠕变速度不断增加，直至断裂。

对金属材料的低温性能的分析

对金属材料的低温性能的分析

对金属材料的低温性能的分析金属材料是工程领域中常用的材料之一，它们在低温环境下的性能表现对许多应用具有重要意义，比如在航空航天、核工业、军事装备等领域。

低温环境下，金属材料的物理性能、力学性能、化学性能等都会发生变化，因此对金属材料的低温性能进行分析具有重要的理论和实际意义。

低温对金属材料的影响主要体现在以下几个方面：1. 金属材料的强度和韧性：在低温下，金属材料的强度通常会增加，而韧性则会下降。

这是因为在低温下，金属的晶格结构会发生改变，使得金属材料的原子和晶界之间的结合变得更加牢固，从而提高了材料的强度。

但低温下金属材料的塑性变形能力会降低，导致韧性下降。

在低温下，金属材料的抗拉强度和屈服点通常会增加，但其韧性和冲击韧性会降低。

这就意味着在设计低温工作条件下的金属结构时，需要在强度和韧性之间进行权衡。

2. 金属材料的断裂行为：在低温下，金属材料的断裂行为通常会发生变化。

由于材料的韧性降低，其断裂倾向于呈现脆性断裂的特点。

在低温下，金属材料的断裂韧度也会降低，容易产生裂纹扩展。

需要特别注意低温下金属结构的断裂特性，通过合理设计和材料选择来减小低温下的断裂风险。

3. 金属材料的疲劳性能：在低温环境下，金属材料的疲劳性能通常会变差。

低温下金属的晶粒会变得更加脆化，容易产生裂纹和断裂，从而降低了材料的疲劳寿命。

在低温环境下使用金属材料时，需要特别关注其疲劳性能，选择合适的材料和工艺以提高其疲劳寿命。

4. 金属材料的弹性模量和热膨胀系数：在低温环境下，金属材料的弹性模量通常会增加，而热膨胀系数则会减小。

这些变化会影响金属结构的尺寸稳定性和变形特性，需要在设计和使用过程中进行考虑。

金属材料在低温环境下的性能会发生多方面的变化，需要针对不同的应用和工况进行全面的分析和评估。

为了提高金属材料在低温环境下的性能，可以采取以下措施：1. 优化金属材料的成分和热处理工艺，以提高其低温下的韧性和塑性变形能力。

2. 采用合适的表面处理技术，如表面喷涂、渗碳等，提高金属材料在低温下的抗腐蚀性能和疲劳寿命。

低温深冷的作用

低温深冷的作用

低温深冷的作用主要有以下几点：
1.提高工件的强度和硬度：通过低温深冷处理，金属材料的内部
结构会发生变化，晶粒细化，位错密度增加，从而使其强度和
硬度得到提高。

2.改善工件的韧性：低温深冷处理能使金属材料的韧性得到改善。

在深冷状态下，金属材料的内部结构发生变化，位错密度减少，
晶粒细化，从而提高了材料的韧性。

3.提高工件的疲劳强度：深冷处理能够使金属材料的内部结构发
生变化，减少位错密度，从而提高了材料的疲劳强度。

4.延长工件的使用寿命：通过深冷处理，金属材料的耐腐蚀性能
和抗氧化性能得到提高，从而延长了工件的使用寿命。

5.改善工件的物理性能：深冷处理能够改变金属材料的物理性能，
如导热性、导电性、磁性等。

6.促进化学反应：深冷处理能够改变化学反应的速率和反应条件，
从而促进某些化学反应的进行。

7.在工业制造中，深冷处理也被用于提高产品质量和性能，如提
高金属材料的加工精度、改善塑料制品的外观和质量等。

8.在医学领域，深冷处理也被用于治疗一些疾病，如关节炎、腰
椎间盘突出等。