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1、CRYOGENICSCRYOGENICS低温实验室低温实验室第三章低温工质与低温材料的性质CRYOGENICSCRYOGENICS低温实验室低温实验室低温工质与材料的特性参数获取、计算与研究v低温工质的特性参数计算方法低温工质的特性参数计算方法 状态参数状态参数 热学参数热学参数v低温材料的特性参数计算低温材料的特性参数计算 热学特性热学特性 机械特性机械特性 磁学特性磁学特性 光学特性光学特性 电学特性电学特性 化学特性化学特性 生物学特性生物学特性 CRYOGENICSCRYOGENICS低温实验室低温实验室 低温技术中用于进行低温制冷循环或液化循环低温技术中用于进行低温制冷循环或液化循环
2、的工质通称为的工质通称为低温工质低温工质。它们在封闭它们在封闭(开开)式低温制冷系统中用作为低温式低温制冷系统中用作为低温工质工质，在气体分离及液化装置中既作为原料气体或，在气体分离及液化装置中既作为原料气体或产品气体，同时，也起低温制冷工质的作用。产品气体，同时，也起低温制冷工质的作用。低温制冷工质液化后可以作为低温制冷工质液化后可以作为低温制冷剂低温制冷剂。3.1 3.1 低温工质的种类及其热低温工质的种类及其热力性质力性质CRYOGENICSCRYOGENICS低温实验室低温实验室 低温工质在常温、低压下均为气态。它们都具低温工质在常温、低压下均为气态。它们都具有低的临界温度，较难液化。
3、在低温下，当压力不有低的临界温度，较难液化。在低温下，当压力不很高时（和常压相比），低温工质所处的状态离两很高时（和常压相比），低温工质所处的状态离两相区仍较远，比容仍较大，因而可近似地当作理想相区仍较远，比容仍较大，因而可近似地当作理想气体。气体。低温技术研究和应用中最常用到液态低温工质，低温技术研究和应用中最常用到液态低温工质，如如液氧、液氮、液氢、液氖液氧、液氮、液氢、液氖等，因此对液化气体的等，因此对液化气体的性质也将着重讨论。性质也将着重讨论。CRYOGENICSCRYOGENICS低温实验室低温实验室项项目目符号符号单单位位甲甲烷烷CH4氧氧O2氩氩Ar空气空气氮氮N2分子量分子量
4、M16.0432.0039.94428.96628.016气体常数气体常数RkJ/(kgK)0.5183410.2598180.2081460.28700330.296766沸点沸点TbK111.790.18887.2978.977.36熔点熔点TmK90.754.483.8563.2临临界温度界温度TcrK191.06154.78150.72132.55126.26临临界界压压力力pcr103kPa4.645.1074.8643.7693.398三相点温度三相点温度TtrK90.6654.36183.8163.15三相点三相点压压力力ptrkPa11.66760.15268.9212.535
5、7固体密度固体密度Skg/m350014001624947饱饱和液体密度和液体密度Skg/m3424.511421400873808饱饱和蒸气密度和蒸气密度Vkg/m31.84.85.74.484.61密度（在密度（在标标况况下）下）0kg/m30.71671.42891.7851.29281.2506气化气化热热rVkg/kg509.54212.76163.02205.5199溶化溶化热热rmkg/kg58.613.9529.5525.8表表3 31 1 常用低温工质的基本性质常用低温工质的基本性质CRYOGENICSCRYOGENICS低温实验室低温实验室氖氖Ne氢氢H2(n)-正常正常氢
6、氢(e)-平衡平衡氢氢氦氦4He氦氦3He氪氪Kr氙氙Xe20.1832.0164.0033.01683.80131.300.411944.12412.0769892.78000.0992150.06332227.10820.39（n）20.28（e）4.2243.191119.8165.0524.613.96115.95161.3544.4533.24（n）32.9（e）5.20193.324209.4289.752.7211.297（n）1.287（e）0.22750.11655.515.8824.5613.95（n）13.81（e）115.76161.3743.30757.2019（n）
7、7.0406（e）73.681.6140086.719014329003540120470.812560241330574.81.3415.5228.950.90040.08990.17850.13453.7455.8585.744720.88.5107.596.216.6258.75.719.5517.62项项目目分子量分子量气体常数气体常数沸点沸点熔点熔点临临界温度界温度临临界界压压力力三相点温度三相点温度三相点三相点压压力力固体密度固体密度饱饱和液体密度和液体密度饱饱和蒸气密度和蒸气密度密度（在密度（在标标况下）况下）气化气化热热溶化溶化热热CRYOGENICSCRYOGENICS低温实
8、验室低温实验室3.2.1 3.2.1 正氢、仲氢正氢、仲氢 氢虽是由二个原子构成的分子。但二个氢原子氢虽是由二个原子构成的分子。但二个氢原子核，当用其质子的核以自旋的方法结合时，则有正核，当用其质子的核以自旋的方法结合时，则有正氢和仲氢两大类。氢和仲氢两大类。表现氢分子状态的全波动函数，由于相对于二表现氢分子状态的全波动函数，由于相对于二个质子和电子的交换是反对称式，因此表示分子旋个质子和电子的交换是反对称式，因此表示分子旋转的波动函数，当旋转量子为偶数则和转的波动函数，当旋转量子为偶数则和反对称反对称的核的核自旋函数相结合，当为奇数时则和自旋函数相结合，当为奇数时则和对称对称的核自旋函的核自
9、旋函数相结合。数相结合。3.2 3.2 氢的性质氢的性质CRYOGENICSCRYOGENICS低温实验室低温实验室 前者称为仲氢，合成核自旋为零；后者称正氢，前者称为仲氢，合成核自旋为零；后者称正氢，合成核自族为合成核自族为l l。对称的核自旋函数有三种形式，从系统的多价对称的核自旋函数有三种形式，从系统的多价看来成为看来成为1 1：3 3，即在极高温度下，相对于一个仲氢，即在极高温度下，相对于一个仲氢则有三个仲氢，并以此比例存在。则有三个仲氢，并以此比例存在。氢中能量最低的是旋转量子数为零的仲氢氢中能量最低的是旋转量子数为零的仲氢（一（一次衰减），上面是次衰减），上面是量子数为量子数为1
10、1的正氢的正氢（三次衰减）。（三次衰减）。故出于热力平衡状态时的低温下，仲氢的浓度应该故出于热力平衡状态时的低温下，仲氢的浓度应该最大，其组份与温度的变化关系见表最大，其组份与温度的变化关系见表3 32 2所示。在所示。在常温下把氢（亦即由常温下把氢（亦即由7575的正氢组成）称为正常氢，的正氢组成）称为正常氢，而按表而按表3 32 2将各个温度下的平衡组成的氢称为平衡将各个温度下的平衡组成的氢称为平衡氢。氢。CRYOGENICSCRYOGENICS低温实验室低温实验室 因此，正常氢在因此，正常氢在20K20K的液体中，由表的液体中，由表3 32 2可知基可知基本上是由本上是由100100的仲
11、氢所组成，但不易获得。这说明的仲氢所组成，但不易获得。这说明正氢向仲氢的变化速度非常缓慢所至。为了加速这正氢向仲氢的变化速度非常缓慢所至。为了加速这一由正向仲的转变，可采用一由正向仲的转变，可采用活性炭和磁性物质活性炭和磁性物质之类之类的催化剂。利用吸附和磁的相互作用，把核自旋的的催化剂。利用吸附和磁的相互作用，把核自旋的对称结合搞乱，这样就便于由正氢转变称仲氢。对称结合搞乱，这样就便于由正氢转变称仲氢。T（K）仲仲氢氢2099.824088.618048.3912032.8727325.13CRYOGENICSCRYOGENICS低温实验室低温实验室 例如，使用含有例如，使用含有3030左右
12、三氧化二铬的氧化铝左右三氧化二铬的氧化铝催化剂，则它将以极快的速度变为仲氢。正氢因为催化剂，则它将以极快的速度变为仲氢。正氢因为具有比仲氢高的能量，故此时要释放出大量的热量。具有比仲氢高的能量，故此时要释放出大量的热量。在在20K20K以下，此时释放的热量为以下，此时释放的热量为338.6338.6卡卡/克分子。克分子。正氢当以大量的液体形式贮藏时，由于存在正仲正氢当以大量的液体形式贮藏时，由于存在正仲变化热的原因，则存在着反常的过早蒸发，表变化热的原因，则存在着反常的过早蒸发，表3 33 3给出了各种温度下，每一克分子的变换热。给出了各种温度下，每一克分子的变换热。CRYOGENICSCRY
13、OGENICS低温实验室低温实验室表表3 33 3 氢的正仲转变时的转变热氢的正仲转变时的转变热T T（K K）变化热（卡）变化热（卡/克分子）克分子）17.713.17.713.T T（K K）变变化化热热（卡（卡/克克分子）分子）1010338.648338.6482020338.649338.64920.3920.39338.648338.6483030338.648338.6484040338.634338.6346060337.616337.6168080330.164330.164100100309.440309.440200200105.20105.2030030017.7117
14、.71CRYOGENICSCRYOGENICS低温实验室低温实验室 氢的性质要视其混合比而定。如用蒸气压来决定氢的性质要视其混合比而定。如用蒸气压来决定温度，对平衡氢和正常氢而言，前者比后者要高温度，对平衡氢和正常氢而言，前者比后者要高0.1K0.1K。因此精确测定，必须首先决定它的组分。因此精确测定，必须首先决定它的组分。3.2.2 液态氢的性质液态氢的性质 其导热率虽与正仲的组分有所差异，但在一般其导热率虽与正仲的组分有所差异，但在一般情况下不太显著，故仍可用表情况下不太显著，故仍可用表3 34 4提供的数据。提供的数据。CRYOGENICSCRYOGENICS低温实验室低温实验室 当氢用
15、泵减压降温时，在三相点简单固化。固当氢用泵减压降温时，在三相点简单固化。固态氢是无色透明体，其晶格构造，当正氢的浓度高态氢是无色透明体，其晶格构造，当正氢的浓度高时，则为立方密排型（面心立方），当其浓度低时时，则为立方密排型（面心立方），当其浓度低时则为立方密排型。则为立方密排型。表表34 液态氢、重氢的粘性系数和热导率液态氢、重氢的粘性系数和热导率CRYOGENICSCRYOGENICS低温实验室低温实验室 图图3 31 1 液态氢的蒸气压随正仲组份变化引起液态氢的蒸气压随正仲组份变化引起正氢浓度的变化曲线（引自正氢浓度的变化曲线（引自WoollyWoolly）CRYOGENICSCRYOG
16、ENICS低温实验室低温实验室 固态氢的比热如图固态氢的比热如图3 33 3所示，在低温时有锋利所示，在低温时有锋利的尖峰存在，当正氢浓度降低时，这个峰值向低温的尖峰存在，当正氢浓度降低时，这个峰值向低温侧移动，当浓度为侧移动，当浓度为6060一下时，则已无法观测。这一下时，则已无法观测。这个峰值是当由立方向六方转移时，伴随着结构的变个峰值是当由立方向六方转移时，伴随着结构的变化而发生的。化而发生的。图图33 固态氢的比热固态氢的比热CRYOGENICSCRYOGENICS低温实验室低温实验室 在使用氢时应当注意，当氧或空气进入氢中，在使用氢时应当注意，当氧或空气进入氢中，则此混合物一遇火就引
17、起爆炸。则此混合物一遇火就引起爆炸。纯氢并不会爆炸，故燃爆与混合物组分的上、纯氢并不会爆炸，故燃爆与混合物组分的上、下限有关。下限有关。例如，在长管中燃爆时，其上限与管的长度有例如，在长管中燃爆时，其上限与管的长度有关，而下限约为关，而下限约为2020的氢，上限为的氢，上限为9999的氢。但若的氢。但若有有氩气氩气等惰性气体存在，则其燃爆的幅度就较为狭等惰性气体存在，则其燃爆的幅度就较为狭小。小。在使用液态氢时，房间内应具有较好的通风，在使用液态氢时，房间内应具有较好的通风，并将暂不使用的液态氢置于其他地方。并将暂不使用的液态氢置于其他地方。室内的电气设备均应采用防爆结构。室内的电气设备均应采
18、用防爆结构。CRYOGENICSCRYOGENICS低温实验室低温实验室 通常作为氢的同位素有重氢（氘）、氚。通常作为氢的同位素有重氢（氘）、氚。这两种同位素虽然不会作为制冷剂使用，但为这两种同位素虽然不会作为制冷剂使用，但为便于参考，将其性质略提几点。便于参考，将其性质略提几点。通常重氢通常重氢D D2 2虽然含有虽然含有66.6766.67的正氢，而其沸点的正氢，而其沸点为为23.57K23.57K，凝固点为，凝固点为18.72K18.72K。其粘度系数和导热率见表其粘度系数和导热率见表3 34 4，且粘度系数与，且粘度系数与图图3 32 2氢作了相应的比较。氚其沸点是氢作了相应的比较。氚
19、其沸点是24.92K24.92K，凝，凝固点是固点是20.27K20.27K。3.2.3液态重氢液态重氢CRYOGENICSCRYOGENICS低温实验室低温实验室 氦首先在氦首先在18681868年发现于太阳的表面层中，是在年发现于太阳的表面层中，是在日蚀时观察到了黄色的日蚀时观察到了黄色的D D3 3射线（即太阳光谱中氦的射线（即太阳光谱中氦的射线，其波长为射线，其波长为58810588103m3m）。）。第二年，即第二年，即18691869年，雷埃特认定发射年，雷埃特认定发射D D3 3射线的气射线的气体是一种与氢相像的新元素，随后便定其名称为体是一种与氢相像的新元素，随后便定其名称为“
20、氦氦”。只是到了只是到了18951895年，才在地球上发现了氦。年，才在地球上发现了氦。3.3 氦的性质氦的性质3.3.1 氦的一般性质氦的一般性质CRYOGENICSCRYOGENICS低温实验室低温实验室 在地球上，氦属稀有气体。氦在大气中的含量在地球上，氦属稀有气体。氦在大气中的含量很少，很少，大约只有大约只有5ppm5ppm；但在有些地区出产的天然气中则含量较大，有但在有些地区出产的天然气中则含量较大，有的甚至达的甚至达1 1以上。以上。目前全世界生产的氦，目前全世界生产的氦，绝大多数是从天然气中绝大多数是从天然气中提取的提取的。氦属惰性气体，化学性质极其稳定，一般。氦属惰性气体，化学
21、性质极其稳定，一般情况下不与其它元素化合。情况下不与其它元素化合。CRYOGENICSCRYOGENICS低温实验室低温实验室 氦有两种同位素，即氦有两种同位素，即HeHe4 4和和HeHe3 3。通常使用的氦实际是这两种同位素的混合物，通常使用的氦实际是这两种同位素的混合物，但但HeHe3 3的含量很少，从天然气提得的氦中的含量很少，从天然气提得的氦中HeHe3 3只占只占1/1071/107l/106l/106。由此可知，要从天然氦中分离出。由此可知，要从天然氦中分离出HeHe3 3是很因难的。是很因难的。3.3.1.1氦的两种同位素氦的两种同位素CRYOGENICSCRYOGENICS低
22、温实验室低温实验室 实际上是利用原子核反应堆中锂原子同中子实际上是利用原子核反应堆中锂原子同中子（n n）的原子反应获得）的原子反应获得HeHe3 3，其反应式如下：，其反应式如下：Li Li6 6+n=H+n=H3 3+He+He4 4 H H3 3=He=He3 3+e-+e-即即锂原子锂原子受中子的撞击得到受中子的撞击得到氚氚（H H3 3），氚放出），氚放出射线（射线（e-e-）即蜕变为）即蜕变为HeHe3 3，其半衰期为，其半衰期为12.512.5年。经年。经过上述反应，再用过上述反应，再用钯钯作催化剂，使作催化剂，使HeHe3 3和和HeHe4 4分离，分离，然后对然后对HeHe3
23、 3提纯，使提纯，使HeHe4 4的含量降到的含量降到0.10.1以下，便得以下，便得到到HeHe3 3商品气体商品气体。CRYOGENICSCRYOGENICS低温实验室低温实验室 氦是最难液化的气体，也是地球上最后一个被氦是最难液化的气体，也是地球上最后一个被液化的气体，直到液化的气体，直到19081908年卡墨林年卡墨林昂奈斯才在荷兰昂奈斯才在荷兰来顿大学的实验室中第一次得到液氦。来顿大学的实验室中第一次得到液氦。这是因为氦分子间的作用力（也称范德瓦尔力）这是因为氦分子间的作用力（也称范德瓦尔力）比其它物质要比其它物质要小小，因而比其它物质就更难液化和固，因而比其它物质就更难液化和固化。
24、在所有的各种物质中，化。在所有的各种物质中，氦的液化温度是最低氦的液化温度是最低的，的，而且只有而且只有预冷到很低预冷到很低的温度（达到转化温度以下）的温度（达到转化温度以下）才有可能通过才有可能通过压缩和节流压缩和节流的方法使之液化。的方法使之液化。3.3.1.2氦的气液相变氦的气液相变CRYOGENICSCRYOGENICS低温实验室低温实验室 同其它的物质一样，氦的气液相变属一阶相变，同其它的物质一样，氦的气液相变属一阶相变，因而服从克拉贝隆克劳修斯方程。因而服从克拉贝隆克劳修斯方程。在一些温度时氦的饱和蒸气压力（在一些温度时氦的饱和蒸气压力（kPakPa），在同），在同一温度时一温度时
25、HeHe3 3的饱和蒸气压力比的饱和蒸气压力比HeHe4 4高得多，而且温高得多，而且温度越低这种情况越显著。度越低这种情况越显著。CRYOGENICSCRYOGENICS低温实验室低温实验室 在在2K2K时时HeHe3 3的饱和蒸气压力约为的饱和蒸气压力约为HeHe4 4饱和蒸气压力饱和蒸气压力的的6.36.3倍，而在倍，而在1K1K时约为时约为73.773.7倍，倍，0.5K0.5K时则近乎时则近乎1000010000倍。倍。因此，当用因此，当用抽气方法制冷抽气方法制冷时，用时，用HeHe3 3作为工质比作为工质比HeHe4 4更有效：当保持同一温度时用更有效：当保持同一温度时用HeHe3
26、 3只需达到只需达到较低较低的的真空度，而真空度，而HeHe4 4则需保持则需保持较高较高的真空度；当保持同样的真空度；当保持同样的压力（或其空度）时用的压力（或其空度）时用HeHe3 3可以得到更低的温度。可以得到更低的温度。CRYOGENICSCRYOGENICS低温实验室低温实验室 氦发生气液相变时有气化潜热存在，而且气化氦发生气液相变时有气化潜热存在，而且气化潜热潜热lvlv是随温度是随温度T T而变的。由图可以看出，在而变的。由图可以看出，在T T2.2K2.2K附近曲线出现转折，转折点的最小值约为附近曲线出现转折，转折点的最小值约为lvlv90.8kJ/kmol90.8kJ/kmo
27、l而在而在1.5K1.5K以下以下lvlv值迅速减小，达绝对值迅速减小，达绝对零度时其值约为零度时其值约为lvolvo60kJ/kmol60kJ/kmol为一确定值。为一确定值。图图34 He4的气化潜热的气化潜热CRYOGENICSCRYOGENICS低温实验室低温实验室 图图3 35 5示出由实验测得的示出由实验测得的HeHe3的气化潜热随温度的气化潜热随温度的变化曲线。在试验温度范围内未发现转折现象，的变化曲线。在试验温度范围内未发现转折现象，但其数值同按克拉贝隆克劳修斯方程计算的结果但其数值同按克拉贝隆克劳修斯方程计算的结果似不完全一致。似不完全一致。图图35 He3的气化潜热的气化潜
28、热CRYOGENICSCRYOGENICS低温实验室低温实验室 许多材料在拉伸实验中，当应力增加时，材料许多材料在拉伸实验中，当应力增加时，材料中的应变亦增大。但当应力增加到某一定值时，应中的应变亦增大。但当应力增加到某一定值时，应变会随应力增加而急剧上升。该特定应力值被定义变会随应力增加而急剧上升。该特定应力值被定义为为材料的屈服强度材料的屈服强度y y。对另一些材料，在应变应力曲线中不存在该对另一些材料，在应变应力曲线中不存在该特定应力。特定应力。3.4.1 极限强度和屈服强度极限强度和屈服强度3.4 材料的低温机械性能材料的低温机械性能CRYOGENICSCRYOGENICS低温实验室低
29、温实验室 屈服强度被定义为：在拉伸实验中使材料发生屈服强度被定义为：在拉伸实验中使材料发生永久变形永久变形0.20.2（有时是（有时是0.10.1）所需的应力。）所需的应力。材料的极限强度材料的极限强度u u定义为：在拉伸实验中加在定义为：在拉伸实验中加在材料上的材料上的最大最大的标称的标称应力值应力值。图图3 32424和和3 32525给出了一些材料的给出了一些材料的屈服强度和屈服强度和极限强度值随温度的变化情况极限强度值随温度的变化情况。CRYOGENICSCRYOGENICS低温实验室低温实验室12024T4铝；铝；2铍青铜；铍青铜；3K蒙乃尔合金；蒙乃尔合金；4钛；钛；5304不锈钢
30、；不锈钢；6C1020碳钢；碳钢；79镍钢；镍钢；8特氟隆；特氟隆；9Invar36合金合金图图324 几种工程材料的几种工程材料的极限强度：极限强度：CRYOGENICSCRYOGENICS低温实验室低温实验室12024T4铝；铝；2铍青铜；铍青铜；3K蒙乃尔合金；蒙乃尔合金；4钛；钛；5304不锈钢；不锈钢；6C1020碳钢；碳钢；79镍钢；镍钢；8特氟隆；特氟隆；9Invar36合金合金图图324 几种工程材料的几种工程材料的屈服强度：屈服强度：CRYOGENICSCRYOGENICS低温实验室低温实验室 许多工程材料都是合金，即由几种不同尺寸原许多工程材料都是合金，即由几种不同尺寸原子
31、的合金材料加入到基体材料中而构成。子的合金材料加入到基体材料中而构成。如碳加入铁中形成了碳钢。如碳加入铁中形成了碳钢。如果合金元素的原子小于基体材料的原子，那如果合金元素的原子小于基体材料的原子，那么较小的原子就会迁移到金属中的位错区域。小原么较小的原子就会迁移到金属中的位错区域。小原子在该区域的出现具有子在该区域的出现具有“钉扎效应钉扎效应”，会使位错更，会使位错更难移动。难移动。CRYOGENICSCRYOGENICS低温实验室低温实验室 当应力大到足以使许多原子的位错离开它本身当应力大到足以使许多原子的位错离开它本身所在氛围时，屈服现象才发生。所在氛围时，屈服现象才发生。正是由于材料内许
32、多的位错移动，材料才表现正是由于材料内许多的位错移动，材料才表现出塑性变形或屈服。出塑性变形或屈服。当温度降低时，材料中原子的振动减弱。由于当温度降低时，材料中原子的振动减弱。由于原子热扰动的减弱，就需要更大的力才能将位错从原子热扰动的减弱，就需要更大的力才能将位错从合金中撕开。合金中撕开。由以上原因，我们可推知，由以上原因，我们可推知，当温度下降时，合当温度下降时，合金材料的屈服强度增加金材料的屈服强度增加。这一结论已被证明对大部。这一结论已被证明对大部分材料均适合。分材料均适合。CRYOGENICSCRYOGENICS低温实验室低温实验室 有许多方法可表述材料对应力的承受情况随时有许多方法
33、可表述材料对应力的承受情况随时间而变化，但常用的方法却是简单的弯曲试验。在间而变化，但常用的方法却是简单的弯曲试验。在某一给定的次数下，材料发生破损所需的应力称为某一给定的次数下，材料发生破损所需的应力称为疲劳强度疲劳强度f f。某些材料如碳钢、铝镁合金，当所加应力小于某些材料如碳钢、铝镁合金，当所加应力小于某一值时，就永远不会发生疲劳现象，这一特定值某一值时，就永远不会发生疲劳现象，这一特定值称为称为持久极限持久极限o o，在，在106106循环次数下，一些材料的循环次数下，一些材料的疲劳强度随温度的变化情况见图疲劳强度随温度的变化情况见图3 32626。3.4.2 疲劳强度疲劳强度CRYO
34、GENICSCRYOGENICS低温实验室低温实验室 当弯曲次数大于当弯曲次数大于10106 6时，疲劳现象分为三个阶段时，疲劳现象分为三个阶段发展：微小裂缝的产生、裂缝的扩大以致于形成临发展：微小裂缝的产生、裂缝的扩大以致于形成临界裂缝以及最后由于塑性断裂或劈裂而破坏。界裂缝以及最后由于塑性断裂或劈裂而破坏。微小裂缝常发生在待测物的表面，如由于成形微小裂缝常发生在待测物的表面，如由于成形的不均匀性及表面的抓痕等。当材料的高应力发生的不均匀性及表面的抓痕等。当材料的高应力发生区域临近微小裂缝处时，裂缝就开始扩大。温度降区域临近微小裂缝处时，裂缝就开始扩大。温度降低时，需要更大的应力才能使裂缝扩
35、大。低时，需要更大的应力才能使裂缝扩大。CRYOGENICSCRYOGENICS低温实验室低温实验室 因此我们得出如下结论：因此我们得出如下结论：当温度降低时，材料的当温度降低时，材料的疲劳强度增大。疲劳强度增大。对于铝合金，当温度下降时，其疲劳强度与极限对于铝合金，当温度下降时，其疲劳强度与极限强度的比值保持恒定。该事实可用来估计低温下有强度的比值保持恒定。该事实可用来估计低温下有色金属材料的疲劳强度值。色金属材料的疲劳强度值。CRYOGENICSCRYOGENICS低温实验室低温实验室12024T4铝；铝；2铍青铜；铍青铜；3K蒙乃尔合金；蒙乃尔合金；4钛；钛；5304不锈钢；不锈钢；6C
36、1020碳钢碳钢图图326 在在106循环次数循环次数下一些材料的疲劳强度下一些材料的疲劳强度CRYOGENICSCRYOGENICS低温实验室低温实验室 摆锤式和悬臂梁式摆锤式和悬臂梁式冲击试验提供了测量物体抵冲击试验提供了测量物体抵抗冲击载荷的方法。抗冲击载荷的方法。这些实验表明：当材料被突然加上的力所折断这些实验表明：当材料被突然加上的力所折断时，材料将吸收能量。一些材料的摆锤冲击强度示时，材料将吸收能量。一些材料的摆锤冲击强度示在图在图3 32727中。中。3.4.3 冲击强度冲击强度CRYOGENICSCRYOGENICS低温实验室低温实验室 一些材料会发生一些材料会发生塑性一脆性塑
37、性一脆性的转变，如碳钢，的转变，如碳钢，当从室温降至当从室温降至78K78K时，它的冲击强度将突然急剧下降。时，它的冲击强度将突然急剧下降。抗冲击性抗冲击性的表现好坏大部分取决于材料的的表现好坏大部分取决于材料的晶体晶体结构结构。面心立方面心立方品格材料具有许多滑移面，因此它品格材料具有许多滑移面，因此它比体心立方品格材料更易形成塑性变形。比体心立方品格材料更易形成塑性变形。并且，在面心立方结构中，材料填隙杂质原子并且，在面心立方结构中，材料填隙杂质原子将只与位错的边缘作用并将只与位错的边缘作用并阻止滑移阻止滑移；但在体心立方；但在体心立方结构中，边界和螺旋位错将起到钉扎作用。结构中，边界和螺
38、旋位错将起到钉扎作用。CRYOGENICSCRYOGENICS低温实验室低温实验室 具有面心立方晶格和六方品格的金属在冲击实具有面心立方晶格和六方品格的金属在冲击实验中将由于塑性永久变形而断裂（因而在断裂前会验中将由于塑性永久变形而断裂（因而在断裂前会吸收大量的能量），并且当温度下降时，会保持这吸收大量的能量），并且当温度下降时，会保持这种抗冲击的能力；种抗冲击的能力；具有体心立方品格的金属，在达到一定温度时，具有体心立方品格的金属，在达到一定温度时，由于劈裂而发生折断（因而它只吸收了少量的能量）由于劈裂而发生折断（因而它只吸收了少量的能量），因此这些材料在，因此这些材料在低温时会变得很脆低温
39、时会变得很脆。许多许多塑料和橡胶塑料和橡胶材料在被冷到某一转变温度以材料在被冷到某一转变温度以下时，也会变脆，只有下时，也会变脆，只有聚四氟乙烯和聚三氟氯化乙聚四氟乙烯和聚三氟氯化乙烯烯聚合体例外。聚合体例外。CRYOGENICSCRYOGENICS低温实验室低温实验室 材料延展性可用试件在简单拉伸实验中被拉断材料延展性可用试件在简单拉伸实验中被拉断时的伸长率或截面积减少率来描述。时的伸长率或截面积减少率来描述。脆性材料和塑脆性材料和塑性材料的分界是性材料的分界是5 5的伸长率或的伸长率或0.05cm/cm0.05cm/cm的应变的应变。伸长率超过该值的是塑性材料，小于该值的是脆性伸长率超过该
40、值的是塑性材料，小于该值的是脆性材料。因材料。因3 32828列出了几种材料的延展性与温度的函列出了几种材料的延展性与温度的函数关系。数关系。3.4.4 硬度和延展性硬度和延展性CRYOGENICSCRYOGENICS低温实验室低温实验室图图327 低温下一些材料低温下一些材料的摆锤冲击强度的摆锤冲击强度12024T4铝；铝；2铍青铜；铍青铜；3K蒙乃尔合金；蒙乃尔合金；4钛；钛；5304不锈钢；不锈钢；6C1020碳钢；碳钢；79镍钢镍钢CRYOGENICSCRYOGENICS低温实验室低温实验室 金属材料的硬度可用标准硬度试验压头在材料表金属材料的硬度可用标准硬度试验压头在材料表面的刻痕来
41、测量。常用硬度面的刻痕来测量。常用硬度试验压头试验压头包括：包括：BrinellBrinell球印压头，球印压头，VickersVickers钻石压头和钻石压头和RockwellRockwell加载压头。加载压头。总之，这些方法测得的金属硬度与材料极限强度总之，这些方法测得的金属硬度与材料极限强度成正比，因此成正比，因此硬度随温度的降低而增大硬度随温度的降低而增大。对低温下的无塑脆性转变现象的材料来说，延对低温下的无塑脆性转变现象的材料来说，延展性随温度下降而上升。展性随温度下降而上升。碳钢有低温塑脆性转变，转变时碳钢有低温塑脆性转变，转变时伸长率伸长率从从2525一一3030降至降至2 2一
42、一3 3。显然，。显然，在延展性重要的场合，在延展性重要的场合，这些材料不应在低温下使用这些材料不应在低温下使用。CRYOGENICSCRYOGENICS低温实验室低温实验室 常用的弹性模量有三种：常用的弹性模量有三种：杨氏模量杨氏模量E E，即等温时在弹性限度内拉伸应力的变，即等温时在弹性限度内拉伸应力的变化量与应变的变化量的比值；化量与应变的变化量的比值；剪切模量剪切模量G G，即等温时在弹性限度内剪切应力的变，即等温时在弹性限度内剪切应力的变化量与剪切应变的变化量之比值；化量与剪切应变的变化量之比值；体模量体模量B B，即等温时压力变化量与体积变化量的比，即等温时压力变化量与体积变化量的
43、比值。值。如果材料各向同性，这三个模量可用泊松比如果材料各向同性，这三个模量可用泊松比联系起来，联系起来，是所加应力垂直方向上的应变与所加是所加应力垂直方向上的应变与所加应力平行方向上的应变之比：应力平行方向上的应变之比：（3 39 9）3.4.5 弹性模量弹性模量CRYOGENICSCRYOGENICS低温实验室低温实验室1 120242024T4T4铝；铝；2 2铍青铜；铍青铜；3 3K K蒙乃尔合金；蒙乃尔合金；4 4钛；钛；5 5304304不锈钢；不锈钢；6 6C1020C1020碳钢；碳钢；7 79 9镍钢镍钢图图328 各种材料的延展性各种材料的延展性CRYOGENICSCRYO
44、GENICS低温实验室低温实验室 温度下降时，由于原子和分子振动的干扰降低，温度下降时，由于原子和分子振动的干扰降低，因此因此原子和分子间作用力增大原子和分子间作用力增大。由于弹性作用是原子和分子间作用力的体现，由于弹性作用是原子和分子间作用力的体现，因此因此当温度下降时，弹性模量增大当温度下降时，弹性模量增大。另外，实验发现，各向同性材料的另外，实验发现，各向同性材料的泊松比泊松比在低温在低温范围内当温度变化时没有明显的变化；因此，前面范围内当温度变化时没有明显的变化；因此，前面三种模量与温度的关系三种模量与温度的关系是相同的。是相同的。CRYOGENICSCRYOGENICS低温实验室低温
45、实验室1 120242024T4T4铝；铝；2 2铍青铜；铍青铜；3 3K K蒙乃尔合金；蒙乃尔合金；4 4钛；钛；5 5304304不锈钢；不锈钢；6 6C1020C1020碳钢；碳钢；7 79 9镍钢镍钢图图3 329 29 材料的杨氏模量随材料的杨氏模量随温度变化温度变化CRYOGENICSCRYOGENICS低温实验室低温实验室 材料热导率材料热导率t t，就是单位面积的传热速率除以，就是单位面积的传热速率除以传热方向上的温度梯度。图传热方向上的温度梯度。图3 33030列出了几种固体的列出了几种固体的热导率。热导率。3.5 材料的低温热性能材料的低温热性能3.5.1 热导率热导率CR
46、YOGENICSCRYOGENICS低温实验室低温实验室 要理解要理解低温下材料热导率随温度的变化关系低温下材料热导率随温度的变化关系，就必须知道材料不同的能量传递机理。材料热传导就必须知道材料不同的能量传递机理。材料热传导有三种基本的机理：有三种基本的机理：电子运动，如对于金属导体；电子运动，如对于金属导体；晶格振动，即声子运动，对所有固体；晶格振动，即声子运动，对所有固体；分子运动，如对于有机物固体和各种气体。分子运动，如对于有机物固体和各种气体。在液体中最基本的导热机理是在液体中最基本的导热机理是分子振动分子振动能量的能量的传递；而在气体中，导热主要是传递；而在气体中，导热主要是平动能量
47、的平动能量的传递传递（对单原子气体）以及（对单原子气体）以及平动和转动能量平动和转动能量的传递（对的传递（对双原子气体）。双原子气体）。CRYOGENICSCRYOGENICS低温实验室低温实验室式中：为比热比；式中：为比热比；为材料密度；为定容比热熔；为材料密度；为定容比热熔；v v为粒子平均速度；为粒子平均速度；为粒子运动平均自由程。为粒子运动平均自由程。运用气体分子运动论，可以得到如下材料运用气体分子运动论，可以得到如下材料热导率的理论表达式：热导率的理论表达式：（3 31111）CRYOGENICSCRYOGENICS低温实验室低温实验室1 120242024T4T4铝；铝；2 2铍青
48、铜；铍青铜；3 3K K蒙乃尔合金；蒙乃尔合金；4 4钛；钛；5 5304304不锈钢；不锈钢；6 6C1020C1020碳钢；碳钢；7 7纯铜；纯铜；8 8特氟隆特氟隆图图3 330 30 材料在低温下材料在低温下的热导率的热导率CRYOGENICSCRYOGENICS低温实验室低温实验室 所有所有气体的热导率均随温度下降而减小气体的热导率均随温度下降而减小，因为，因为气体的气体的和和之积为常数，为之积为常数，为T T的弱函数，因此如公的弱函数，因此如公式式3 31111所示，气体热导率与分子平均速度的变化方所示，气体热导率与分子平均速度的变化方式相同。由气体分子运动论，可得式相同。由气体分
49、子运动论，可得 （3 31212）式中：式中：R R是该气体的气体常数；是该气体的气体常数；T T是气体的绝对温度。是气体的绝对温度。温度下降会导致分子平均速度下降，最终导致气体热温度下降会导致分子平均速度下降，最终导致气体热导率下降。导率下降。CRYOGENICSCRYOGENICS低温实验室低温实验室对固体导热，热导率可表达为对固体导热，热导率可表达为 金属中能量传递既有电子运动，又有声子运动；金属中能量传递既有电子运动，又有声子运动；然而，在大多数纯导体中，在液氮温度以上，电子然而，在大多数纯导体中，在液氮温度以上，电子运动所占能量远大于声子运动。运动所占能量远大于声子运动。电子比热容与
50、绝对电子比热容与绝对温度温度T T成正比成正比，该温区上电子平均自由程与，该温区上电子平均自由程与T T成反比。成反比。除氢、氦以外的所有低温液体的热导率随温度除氢、氦以外的所有低温液体的热导率随温度下降而增大。下降而增大。液氢和液氦在低温范围内则相反液氢和液氦在低温范围内则相反。（313）CRYOGENICSCRYOGENICS低温实验室低温实验室 由于密度和平均电子速度只是温度的弱函数，由于密度和平均电子速度只是温度的弱函数，因而电导体的热导率在液氮温度以上几乎是定值，因而电导体的热导率在液氮温度以上几乎是定值，如公式（如公式（3 31313）所示。）所示。当温度降至液氮温度以下时，声子对