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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      

 

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。19383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。19432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。

 

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