對金屬材料的低溫性能的分析

施曉平

[摘要]在當(dāng)今現(xiàn)代工程建設(shè)和生產(chǎn)生活中，金屬材料的應(yīng)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(xué)性質(zhì)。更常見的是，金屬材料的物理和化學(xué)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(xué)性能 應(yīng)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(fù)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(yīng)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(xué)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(dǎo)電、導(dǎo)熱、有光澤的材料。在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的化學(xué)元素中（105種），金屬元素有83種，約占總化學(xué)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?yīng)用十分廣泛。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(xué)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(jī)械性能

由于不同金屬零件所應(yīng)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(jī)械性能;物理性能;化學(xué)性能;加工性能;力學(xué)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(xué)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(jī)械性能通常包括強(qiáng)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(dāng)它達(dá)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(dǎo)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?yàn)閿嗔褧r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(jìn)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(xué)研究表明，金屬材料的性能在低溫條件下會發(fā)生嚴(yán)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(dǎo)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(yīng)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(jìn)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(shí)踐中的具體靈活運(yùn)用。

3小結(jié)

隨著生產(chǎn)力的不斷提高，我國相當(dāng)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(yán)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(xiàng)目必須在極低的溫度下進(jìn)行。因此，我們必須考慮金屬材料的機(jī)械性能是否能夠滿足我們的工程材料在低溫下的標(biāo)準(zhǔn)。今天，隨著中國經(jīng)濟(jì)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(biāo)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(jī)提出了很大的需求，盾構(gòu)機(jī)是一種用于隧道開挖的工程機(jī)械。它具有挖巖、挖土、運(yùn)土塊等功能，涉及地質(zhì)、機(jī)械等多個學(xué)科和技術(shù)。盾構(gòu)機(jī)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(xué)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(xué)性能的影響。然后運(yùn)用顯微技術(shù)，找出了其力學(xué)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(yán)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(jìn)行加工，達(dá)到正常生產(chǎn)和使用壽命。