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金属如何“耐寒”
2014-05-08 19:47:20金属如何“耐寒”
■ 李湘洲 李 南
不久前通车运营的哈大高铁，是世界上第一条穿越高寒地区的高速铁路，沿线冬季极端最低温度-40℃左右。在这样的低温环境下，高铁要安全运行，金属材料的“耐寒”性能是首先要解决的问题。
金属的“冷脆”现象
100多年前，英国斯科特探险队远赴南极考察，因装液体燃料的容器的锡焊缝突然莫名其妙地“化开”了，造成燃料流失，最后发生探险队全军覆没的悲剧。1938年3月，一股寒流席卷比利时，气温下降至-20℃，一座刚建成不久的哈尔什特钢桥突然断为三截，坠入河中。1943年2月，美国纽约附近一个直径12米的大型储气罐突然爆炸，当时气温是-12℃。1954年寒冬，正在爱尔兰海航行的英国油轮“世界协和号”突然中部断开沉没。
这一连串与寒冷有关的金属材料事故，引起人们极大的震惊，沉痛的教训促使人们去探索金属性能从常温到低温变化的奥秘。
另一方面，随着现代科学技术不断向“深冷王国”进军，形成了一些低温工作状态下的科学技术。例如，石油化工、航天、低温超导等技术，需要许多液氧、液氢、液氮等作燃料或冷却剂，制造、贮存、运输这些超低温液化气体需要大量耐低温的金属容器。此外，液体燃料火箭技术、冷冻工业以及低温物理、低温医学等等，都需要金属在很低温度，甚至接近绝对零度（-273.16℃）下工作。
研究证明，金属在低温下的性能与常温表现是不同的。在超低温状态下，敲打沉甸甸的铅条，会发出铜铃般的响声；水银冻得坚如钢铁；低碳钢的强度成倍提高……几乎所有的金属在超低温度下，强度都比它们在室温时要高出很多。
但是，金属的“硬”和“脆”总是形影不离，在低温下金属的强度和硬度固然提高，可是韧性却大大降低了，也就是说，金属变“脆”了。人们把金属随着温度的降低韧性和塑性减小的现象称为“冷脆”。金属的冷脆断裂与常温下的脆性破坏状态基本相同，它往往在无明显的塑性变形时突然发生，断口平滑光亮，裂纹一般起源于金属组织中的缺陷或应力集中处，以很快的速度传播。它一旦发生，顷刻之间便会使整个结构崩溃。
金属为什么不“耐寒”
金属在低温下为什么会发生冷脆破坏？科学家研究发现，这同金属内部的晶体结构有密切关系。我们知道，金属和合金是由无数小晶体组成的，晶体又由原子按一定方式排列堆积而成。金属原子的堆积都遵循着某种特定的形式，有规律的重复排列。如果用一些假想线把它们连接起来，就成了一个个结晶格子，简称晶格。
金属晶格通常有下列三种类型：体心立方晶格。立方体的八个顶角和中心各有一个原子，例如钨、钼、钠以及室温下的铁具有这种晶格；面心立方晶格。立方体的八个顶角和六个面的中心各有一个原子，铜、银、金、铝以及高温下的铁都属于这种组织；密排六方晶格。六棱体的十二个顶角各有一个原子，中心平面有三个原子，锌、镁、钛均属这一类型。
在低温下发生冷脆主要是体心立方晶格的金属，其次是密排六方晶格的金属。它们随着温度的减低，强度指标（如屈服极限、强度极限）增加，塑性和韧性指标（如冲击韧性、延伸率）下降，显现脆的性质。与此相反，面心立方晶格的金属不会发生冷脆破坏，温度降低，强度指标有些增加，韧性和塑性指标不变或稍有提高。
为什么不同晶格的金属会出现两种迥然不同的低温性能呢？这是由于不同晶格的原子数目和分布状态不同，晶面与晶面之间所显现的滑移阻力也有很大差异。面心晶格由于晶面原子比较多，原子滑移时遇到的阻力小，所以容易变形，因而韧性好。而体心和六方晶格的情况正好相反，它们晶面的原子少，排列稀疏，滑移阻力比较大，金属变形困难，因而表现脆的性质。
除了微观晶体结构外，影响金属冷脆性的因素还有很多，可以分为外部因素和内部因素。外部因素包括工作温度、应力状态、载荷速度、工作介质等；内部因素有合金种类、成分、晶粒度和组织缺陷等等。
如何让金属材料安全“过冬”
对金属低温性能的基本要求是：具有足够的强度和充分的韧性，同时还要求具有良好的工艺性能和耐蚀性。其中低温韧性，即低温下防止脆性破坏发生和阻止裂纹扩展的能力，是重要的性能指标。这项指标数值是在低温冲击试验机上测试得出的。
通过对冷脆金属在不同温度下的试验，可以发现，温度越低，冷脆现象也愈严重。但是，这种变化却要达到某一温度才会明显加剧。无疑，这一“临界脆性转变温度”就成了研究和选择低温材料的依据。例如，为了保证冬季船舶在高纬度海洋航行安全，远洋轮的最低工作温度必须高于材料的临界脆性转变温度，这样可以避免冷脆破坏。
目前，低温用金属材料按化学成分不同，可以分为五类：低合金钢、镍钢、铝合金和钛合金，在-253℃的超低温环境下应用最多的是奥氏体不锈钢。低合金钢一般在-100℃左右的温区内使用，用于制造冷冻设备、运输设备、乙烯贮罐、天然气装置等。
钛合金是较理想的深度低温材料。它有三大优点：一是比强度（材料强度和比重的比值）高，在所有金属中首屈一指；二是强度随温度的降低而提高，而且能保持足够的韧性；三是在低温下对缺口的敏感性小，也就是说，不容易在有缺口的地方出现裂纹。另外，钛合金的导热性能差，膨胀系数小，适用于火箭、导弹的燃料贮箱中的高压容器和管道等低温构件。但是，钛容易被氧化，它和液态氧接触会发生反应引起燃烧、爆炸，所以钛不宜用来制造贮存氧的容器。
铝合金适宜做低温设备中的结构件，如低温压缩机的活塞，深冷设备的容器、管道，以及中等强度的结构件和紧固件等。在高寒地区运行的哈大高铁动车车体，最后选定用铝合金材料制造，是因为铝合金的低温工作性能好，对温度不敏感，通过对车体铝合金材料做低温性能测试，所要求的各项指标均合格。