對金屬材料的低溫性能的分析

施曉平

[摘要]在當今現(xiàn)代工程建設(shè)和生產(chǎn)生活中，金屬材料的應用十分廣泛，而金屬材料的使用隨著其性能的變化衍生出不同的金屬附件。金屬材料是由金屬組成的材料的總成，具有自己的物理和化學性質(zhì)。更常見的是，金屬材料的物理和化學性質(zhì)隨溫度變化。本文寫作的關(guān)鍵是簡要討論低溫條件下金屬性能的變化。

[關(guān)鍵詞]低溫 金屬材料 力學性能 應用發(fā)展

1金屬材料的發(fā)展概況

對于金屬，每個人都不陌生。常見的鋼、鐵、銅、鋁等金屬在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、日常生活中廣泛使用，并不斷提升冶煉技術(shù)，開發(fā)新的金屬附件。最早使用的金屬一一青銅，他的使用歷史可以追溯到3000多年前，我國的祖先在日復一日的生產(chǎn)過程中，就逐步發(fā)現(xiàn)并使用青銅、生鐵等金屬，只是生產(chǎn)規(guī)模較小，多數(shù)用在禮器中，隨著生產(chǎn)工藝的提高才逐步應用在生產(chǎn)生活中。在長期的生產(chǎn)生活中，人們發(fā)現(xiàn)諸如青銅、生鐵這樣的固體金屬具有許多物理化學特性，這是人們鑒別金屬的根本原因。固體金屬是一種高硬度、高延展性、易導電、導熱、有光澤的材料。在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的化學元素中（105種），金屬元素有83種，約占總化學元素的80%。可見金屬元素的重要研究意義。

金屬元素在自然界中廣泛存在，呈固態(tài)結(jié)晶狀。在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人們?nèi)粘Ｉ钪袘檬謴V泛。其材料種類繁多，工程中的金屬材料包括鋼、有色金屬、合金、粉末冶金等。不同的金屬材料具有不同的結(jié)構(gòu)組成和物理化學性能，同時不同的生產(chǎn)工藝過程，特別是熱處理后對金屬材料的性能影響極大。

2.溫度對金屬材料性能的影響

2.1金屬材料的機械性能

由于不同金屬零件所應用條件環(huán)境不盡相同，為了保證其功能性能，人們對制造這些零件的金屬材料的要求也是不相同的。金屬材料的使用性能主要包括：機械性能;物理性能;化學性能;加工性能;力學性能。對金屬材料的不同性能的合理綜合利用，將會在生產(chǎn)中產(chǎn)生極大的不同效果。金屬材料的力學性能是指在外力作用下，作用力與環(huán)境因素的組合變化。一般來說，金屬材料的機械性能通常包括強度、硬度、形狀、彈性、沖擊韌性和腐蝕等性能。在低溫條件下，這些性能通常會發(fā)生變化，但最顯著的變化是韌性和脆性的變化，因此本文簡要分析了韌性和脆性。

2.2低溫條件下金屬材料脆性的變化

在低溫條件下，金屬材料的脆性會急劇上升。這種變化被稱為金屬材料的冷脆。一旦金屬材料是冷而脆的，它就極易斷裂。冷脆的發(fā)生改變了金屬本身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)榱Ц裥问降姆肿印＿@種分子的存在隨著溫度的變化而變化，當它達到一定程度時，是人為的或由于自然外力因素而發(fā)生斷裂現(xiàn)象，但這種斷裂現(xiàn)象不改變形狀，只是簡單的斷裂，斷裂時間很短，斷裂很快，而且發(fā)出“清晰”的聲音。這些性能變化僅適用于具有冷脆性的材料，對于非冷脆性材料，即使溫度很低，也不會斷裂。

2.3金屬材料的韌性變化

與金屬材料脆性斷裂的形狀變化相比，金屬材料韌性斷裂的變化會導致形狀的變化，韌性斷裂時間很慢，斷裂后在斷裂處發(fā)現(xiàn)明顯的斷裂痕跡。專業(yè)人士會發(fā)現(xiàn)金屬的延性斷裂是由外力產(chǎn)生的。因為斷裂時間很慢，這就把斷裂的形狀變成了纖維的形狀，斷裂面呈暗黑色。

金屬材料的低溫性能不妨礙材料的正常使用。只要對金屬材料在低溫條件下的性能進行綜合分析和利用，就可以利用其性能生產(chǎn)出新的金屬材料。

大量的科學研究表明，金屬材料的性能在低溫條件下會發(fā)生嚴重的變化。在常溫條件下，金屬材料內(nèi)部的分子結(jié)構(gòu)松散結(jié)合，分子間的空間能充分吸收外界壓力，增加其彈性。不同的是，在低溫狀態(tài)下，金屬材料之間的分子間結(jié)合相對更緊密，導致吸收外力的空間變得非常小。所以在低溫條件下其彈性就變得非常小，易斷裂。

低溫材料在使用中的要求和應用發(fā)展：由于季節(jié)性變化，金屬材料在建筑等生產(chǎn)和生活中的使用必須能承受低溫狀態(tài)。因此，對低溫材料的使用已成為必然趨勢。對于需要高安全系數(shù)的建筑物，如橋梁，所用的金屬材料可以在正常溫度下工作，并在低溫下工作，而不存在潛在的安全隱患。

金屬材料在低溫下容易發(fā)生脆性斷裂的性能并不是絕對的不利條件，人們可以反其道而行之，譬如人們利用金屬材料的這種特性，發(fā)展出了“低溫粉碎技術(shù)”，即變不利為有利條件，進行金屬材料的粉碎利用。在我國現(xiàn)有的煉鋼爐中，煉鋼前，為了提高廢鐵的回收率，原鋼一般被粉碎。由于鋼材的特殊性，破碎鋼材一直很困難，而根據(jù)金屬在低溫條件下的易碎性發(fā)展出來的低溫破碎技術(shù)就解決了這一技術(shù)難題，彼之蜜糖汝之砒霜，關(guān)鍵在與實踐中的具體靈活運用。

3小結(jié)

隨著生產(chǎn)力的不斷提高，我國相當一部分建設(shè)工程已延伸到低溫或者超低溫領(lǐng)域。我國幅員遼闊，廣大的西部和北部地區(qū)大面積國土處于嚴寒地區(qū)，低溫或超低溫作業(yè)工程在未來屬于量大面廣的工程，許多項目必須在極低的溫度下進行。因此，我們必須考慮金屬材料的機械性能是否能夠滿足我們的工程材料在低溫下的標準。今天，隨著中國經(jīng)濟的發(fā)展，多數(shù)城市都在穩(wěn)步發(fā)展。現(xiàn)代交通是城市發(fā)展的標志之一。大多數(shù)的大中城市開始發(fā)展地鐵以舒緩交通，因此地鐵的工程量急劇增大。這就對盾構(gòu)機提出了很大的需求，盾構(gòu)機是一種用于隧道開挖的工程機械。它具有挖巖、挖土、運土塊等功能，涉及地質(zhì)、機械等多個學科和技術(shù)。盾構(gòu)機的工作環(huán)境往往面臨極低的溫度，其構(gòu)造又完全由金屬材料制成。此時，若金屬材料的某些力學性能會發(fā)生變化，就會影響到其使用和安全。因此，有必要研究溫度對金屬材料力學性能的影響。然后運用顯微技術(shù)，找出了其力學性能變化的根本原因。

在低溫條件下，金屬材料的性能會發(fā)生嚴重的變化。雖然這種變化會給金屬材料的正常使用帶來困難，但相關(guān)研究表明，金屬材料在這些低溫條件下的性能得到了研究，特別是在低溫下容易發(fā)生的韌性和脆性斷裂。因此，可以充分利用脆性斷裂的特性，對金屬材料進行加工，達到正常生產(chǎn)和使用壽命。