材料在低温下的行为

极低温下的相关物理现象和材料性能导论

金属材料在低温条件下的行为明显不同于在室温下的相同类型的试验。这是由于各种物理现象，当温度达到液氮的温度(-196°C)或接近液氦的温度(约-267°C)时，这些物理现象变得相关。

下面是在低温下发生的典型行为的定性描述。这种叙述，虽然非常简单，但试图给出一个在实验室测试中明显的说明。

1.热容

在低温下最相关的影响是恒容热容(Cv)。在等体积条件下，温度(T)变化的主要贡献是有关物体的内能(U)的变化。因此，其值可表示为:

在一个足够近似的程度上，可以说，几乎所有固体在室温附近和室温以上温度下的摩尔比热是恒定的，与温度无关。根据Dulong Petit定律，它大约等于:

R是摩尔气体常数(≈8.314 J mol^－1K^－1）.

当我们接近低温条件时，这一定律就不再适用了，在低温条件下，量子现象变得越来越重要。当温度低于20至30开尔文时，杜龙和珀蒂定律不再适用，必须考虑其他模型，如德拜积分。

基本上，这些统计数据一致认为，当温度接近绝对零度时，比热趋于零(或至少接近爱因斯坦模型中非常低的值)。

从C的表达式可以推导出_v以上，很低的C_v值会导致强烈的温度变化，即使是内能∆U的微小变化，在强度足够大的情况下也可能在材料中产生热不稳定现象，从而导致晶格中的结构变化。

3.材料硬化

在循环疲劳试验中发生的一个众所周知的现象是材料的硬化。在图2中，很明显，在-196°C下循环加载的耐久力要比在室温下的相同测试好得多。

硬化现象在奥氏体钢中尤为明显，常伴有奥氏体-马氏体相变。应该注意的是，由于马氏体是铁磁性的(而奥氏体是反磁性的)，这种转变在涉及特别高磁场的应用中变得特别关键。

4.夏比测试

本文考虑的最后一个测试是夏比测试．有限元模拟万博官网app体育在米兰元素上进行的测试表明万博官网app体育，测试技术通常按照ISO148和ASTM E23中描述的那样使用，包括将样品冷却到所需的温度，将样品转移到试验机，然后在5秒内进行冲击测试。但是在极低的温度下是不适用的。

事实上，可以看到，在5秒后，仅仅从杜瓦瓶中提取样品，缺口处的温度至少增加了42开尔文，使钢的有效测试温度达到约-228°C。最坏的情况是铝，在5秒后，温度达到约62开尔文，从而使测试温度达到约-211°C。

采用的解决方案万博官网app体育元素米兰夏比试验是在氦持续流动的条件下进行的。

这极大地限制了由于样品从杜瓦瓶转移到测试系统而引起的温升。这使我们能够保证标称温度为-267°C，不确定度约为20开尔文。