材料在低温下的行为

超低温相关物理现象及材料性质概论

金属材料在低温条件下的行为与在室温下的行为在相同类型的测试中有显著差异。这是由于当温度达到液氮(-196°C)或接近液氦(大约-267°C)时，各种物理现象变得相关。

下面是在低温下发生的典型行为的定性描述。这个叙述，虽然非常简单，但试图给出在实验室测试中明显的说明。

1.热容

在低温下最相关的影响是恒定体积下的热容(Cv)。在恒定体积条件下，温度(T)变化的主要贡献是有关物体的内能(U)的变化。因此，其值可以表示为:

在足够近似的程度上，几乎所有固体在室温附近和高于室温的温度下的摩尔比热都是恒定的，与温度无关。根据独龙珀蒂定律，近似等于:

其中R是摩尔气体常数(≈8.314 J mol^－1K^－1）.

当我们接近低温条件时，这个定律就不再适用了，在低温条件下，量子现象变得越来越重要。在温度低于20至30开尔文时，都龙和珀蒂定律不再适用，必须考虑其他模型，如德拜积分。

基本上，这些统计数据一致认为，当温度接近绝对零度时，比热趋于零(或者至少是爱因斯坦模型中非常低的值)。

由C_v在上面，一个非常低的C_v值引起强烈的温度变化，即使是内能∆U的微小变化，在足够强度的问题上，可能在材料中产生热不稳定现象，从而导致晶格中的结构变化。

3.材料硬化

一个众所周知的现象发生在循环疲劳测试是材料的硬化。即使在-196°C，这种现象也变得特别相关且清晰可见。在图2中，很明显，-196°C的循环加载耐力要比室温下的相同测试好得多。

硬化现象在奥氏体钢中尤其明显，常伴有奥氏体-马氏体相变。应该注意的是，由于马氏体是铁磁性的(而奥氏体是抗磁性的)，这种转变在涉及特别高磁场的应用中变得特别关键。

4.夏比测试

本文考虑的最后一个测试是夏比测试．有限元模拟188金宝搏手机端在Element Mila188金宝搏手机端n进行的测试表明，测试技术通常按照ISO148和ASTM E23中描述的那样使用，其中包括将样品冷却到所需的温度，将样品转移到试验机，然后在5秒内进行冲击测试。但是在极低的温度下是不适用的。

事实上，我们可以看到，仅仅从杜瓦瓶中提取样品，5秒后缺口处的温度至少增加了42开尔文，使钢的有效测试温度约为-228℃。最坏的情况是铝，5秒后，温度约为62开尔文，从而使测试温度约为-211℃。

采用的解决方案188金宝搏手机端元素米兰夏比试验是在持续氦气流动的条件下进行的。

这极大地限制了由于样品从杜瓦瓶转移到测试系统而引起的温升。这使我们能够保证标称温度为-267°C，不确定度约为20开尔文。