金屬如何“耐寒”

不久前通車運(yùn)營的哈大高鐵，是世界上第一條穿越高寒地區(qū)的高速鐵路，沿線冬季極端最低溫度-40℃左右。在這樣的低溫環(huán)境下，高鐵要安全運(yùn)行，金屬材料的“耐寒”性能是首先要解決的問題。

金屬的“冷脆”現(xiàn)象

100多年前，英國斯科特探險(xiǎn)隊(duì)遠(yuǎn)赴南極考察，因裝液體燃料的容器的錫焊縫突然莫名其妙地“化開”了，造成燃料流失，最后發(fā)生探險(xiǎn)隊(duì)全軍覆沒的悲劇。1938年3月，一股寒流席卷比利時(shí)，氣溫下降至-20℃，一座剛建成不久的哈爾什特鋼橋突然斷為三截，墜入河中。1943年2月，美國紐約附近一個(gè)直徑12米的大型儲(chǔ)氣罐突然爆炸，當(dāng)時(shí)氣溫是-12℃。1954年寒冬，正在愛爾蘭海航行的英國油輪“世界協(xié)和號(hào)”突然中部斷開沉沒。

這一連串與寒冷有關(guān)的金屬材料事故，引起人們極大的震驚，沉痛的教訓(xùn)促使人們?nèi)ヌ剿鹘饘傩阅軓某氐降蜏刈兓膴W秘。

另一方面，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)不斷向“深冷王國”進(jìn)軍，形成了一些低溫工作狀態(tài)下的科學(xué)技術(shù)。例如，石油化工、航天、低溫超導(dǎo)等技術(shù)，需要許多液氧、液氫、液氮等作燃料或冷卻劑，制造、貯存、運(yùn)輸這些超低溫液化氣體需要大量耐低溫的金屬容器。此外，液體燃料火箭技術(shù)、冷凍工業(yè)以及低溫物理、低溫醫(yī)學(xué)等等，都需要金屬在很低溫度，甚至接近絕對(duì)零度（-273.16℃）下工作。

研究證明，金屬在低溫下的性能與常溫表現(xiàn)是不同的。在超低溫狀態(tài)下，敲打沉甸甸的鉛條，會(huì)發(fā)出銅鈴般的響聲；水銀凍得堅(jiān)如鋼鐵；低碳鋼的強(qiáng)度成倍提高……幾乎所有的金屬在超低溫度下，強(qiáng)度都比它們?cè)谑覝貢r(shí)要高出很多。

但是，金屬的“硬”和“脆”總是形影不離，在低溫下金屬的強(qiáng)度和硬度固然提高，可是韌性卻大大降低了，也就是說，金屬變“脆”了。人們把金屬隨著溫度的降低韌性和塑性減小的現(xiàn)象稱為“冷脆”。金屬的冷脆斷裂與常溫下的脆性破壞狀態(tài)基本相同，它往往在無明顯的塑性變形時(shí)突然發(fā)生，斷口平滑光亮，裂紋一般起源于金屬組織中的缺陷或應(yīng)力集中處，以很快的速度傳播。它一旦發(fā)生，頃刻之間便會(huì)使整個(gè)結(jié)構(gòu)崩潰。

金屬為什么不“耐寒”

金屬在低溫下為什么會(huì)發(fā)生冷脆破壞？科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，這同金屬內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系。我們知道，金屬和合金是由無數(shù)小晶體組成的，晶體又由原子按一定方式排列堆積而成。金屬原子的堆積都遵循著某種特定的形式，有規(guī)律的重復(fù)排列。如果用一些假想線把90557aa72a9c4e4c186c427e4c0fd200f4472e3c9d891a583679556eccaec254它們連接起來，就成了一個(gè)個(gè)結(jié)晶格子，簡稱晶格。

金屬晶格通常有下列三種類型：體心立方晶格。立方體的八個(gè)頂角和中心各有一個(gè)原子，例如鎢、鉬、鈉以及室溫下的鐵具有這種晶格；面心立方晶格。立方體的八個(gè)頂角和六個(gè)面的中心各有一個(gè)原子，銅、銀、金、鋁以及高溫下的鐵都屬于這種組織；密排六方晶格。六棱體的十二個(gè)頂角各有一個(gè)原子，中心平面有三個(gè)原子，鋅、鎂、鈦均屬這一類型。

在低溫下發(fā)生冷脆主要是體心立方晶格的金屬，其次是密排六方晶格的金屬。它們隨著溫度的減低，強(qiáng)度指標(biāo)（如屈服極限、強(qiáng)度極限）增加，塑性和韌性指標(biāo)（如沖擊韌性、延伸率）下降，顯現(xiàn)脆的性質(zhì)。與此相反，面心立方晶格的金屬不會(huì)發(fā)生冷脆破壞，溫度降低，強(qiáng)度指標(biāo)有些增加，韌性和塑性指標(biāo)不變或稍有提高。

為什么不同晶格的金屬會(huì)出現(xiàn)兩種迥然不同的低溫性能呢？這是由于不同晶格的原子數(shù)目和分布狀態(tài)不同，晶面與晶面之間所顯現(xiàn)的滑移阻力也有很大差異。面心晶格由于晶面原子比較多，原子滑移時(shí)遇到的阻力小，所以容易變形，因而韌性好。而體心和六方晶格的情況正好相反，它們晶面的原子少，排列稀疏，滑移阻力比較大，金屬變形困難，因而表現(xiàn)脆的性質(zhì)。

除了微觀晶體結(jié)構(gòu)外，影響金屬冷脆性的因素還有很多，可以分為外部因素和內(nèi)部因素。外部因素包括工作溫度、應(yīng)力狀態(tài)、載荷速度、工作介質(zhì)等；內(nèi)部因素有合金種類、成分、晶粒度和組織缺陷等等。

如何讓金屬材料安全“過冬”

對(duì)金屬低溫性能的基本要求是：具有足夠的強(qiáng)度和充分的韌性，同時(shí)還要求具有良好的工藝性能和耐蝕性。其中低溫韌性，即低溫下防止脆性破壞發(fā)生和阻止裂紋擴(kuò)展的能力，是重要的性能指標(biāo)。這項(xiàng)指標(biāo)數(shù)值是在低溫沖擊試驗(yàn)機(jī)上測試得出的。

通過對(duì)冷脆金屬在不同溫度下的試驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)，溫度越低，冷脆現(xiàn)象也愈嚴(yán)重。但是，這種變化卻要達(dá)到某一溫度才會(huì)明顯加劇。無疑，這一“臨界脆性轉(zhuǎn)變溫度”就成了研究和選擇低溫材料的依據(jù)。例如，為了保證冬季船舶在高緯度海洋航行安全，遠(yuǎn)洋輪的最低工作溫度必須高于材料的臨界脆性轉(zhuǎn)變溫度，這樣可以避免冷脆破壞。

目前，低溫用金屬材料按化學(xué)成分不同，可以分為五類：低合金鋼、鎳鋼、鋁合金和鈦合金，在一253℃的超低溫環(huán)境下應(yīng)用最多的是奧氏體不銹鋼。低合金鋼一般在-100℃左右的溫區(qū)內(nèi)使用，用于制造冷凍設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備、乙烯貯罐、天然氣裝置等。

鈦合金是較理想的深度低溫材料。它有三大優(yōu)點(diǎn)：一是比強(qiáng)度（材料強(qiáng)度和比重的比值）高，在所有金屬中首屈一指；二是強(qiáng)度隨溫度的降低而提高，而且能保持足夠的韌性；三是在低溫下對(duì)缺口的敏感性小，也就是說，不容易在有缺口的地方出現(xiàn)裂紋。另外，鈦合金的導(dǎo)熱性能差，膨脹系數(shù)小，適用于火箭、導(dǎo)彈的燃料貯箱中的高壓容器和管道等低溫構(gòu)件。但是，鈦容易被氧化，它和液態(tài)氧接觸會(huì)發(fā)生反應(yīng)引起燃燒、爆炸，所以鈦不宜用來制造貯存氧的容器。

鋁合金適宜做低溫設(shè)備中的結(jié)構(gòu)件，如低溫壓縮機(jī)的活塞，深冷設(shè)備的容器、管道，以及中等強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)件和緊固件等。在高寒地區(qū)運(yùn)行的哈大高鐵動(dòng)車車體，最后選定用鋁合金材料制造，是因?yàn)殇X合金的低溫工作性能好，對(duì)溫度不敏感，通過對(duì)車體鋁合金材料做低溫性能測試，所要求的各項(xiàng)指標(biāo)均合格。

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