上游充通大￥ SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 低温原理及应用 第二讲 低温材料与流体物性 2018年春季 黄永华、王如竹 六漏 答疑： 邮箱huangyh@sjtu.edu.cn;电话：34206295 rzwang@sjtu.edu.cn;电话：34206548 或预约办公室：机动A楼432室
低温原理及应用 第二讲 低温材料与流体物性 2018年春季 黄永华 、王如竹 答疑: 邮箱 huangyh@sjtu.edu.cn ; 电话: 34206295 rzwang@sjtu.edu.cn; 电话:34206548 或预约 办公室：机动A楼432室
一、材料在低温下的机械性质 ©1极限强度和屈服强度 ©2疲劳强度 ④3冲击强度 ©4硬度和延展性 ©5弹性模量 上游充通大学 2018年3月6日 2 SHANGHAI JLAO TONG UNIVERSITY
2018年3月6日 2 一、材料在低温下的机械性质 1 极限强度和屈服强度 2 疲劳强度 3 冲击强度 4 硬度和延展性 5 弹性模量
极限强度和屈服强度 对于许多材料，在拉伸实验中当应力增加时，材料中的应变亦 增大。但当应力增加到某走值时，应变会随应力增加而 急剧上升。该特定应力值被定义为材料的屈服强度Sy。 对另一些材料，在应变-应力曲线中不存在该特定应力，这 时屈服强度被定义为：在拉伸实验中使材料发生永久变形 0.2%(有时是0.1%)所需的应万。 T↓→原子热运动减弱→需大力才能将位错撕开 →Sy↑ 极限强度S:拉伸实验中加在材料上的最大的标称应力值。 上游充通大学 2018年3月6日 3 HANGHAI JLAO TONG UNIVERSITY
2018年3月6日 3 极限强度和屈服强度 对于许多材料,在拉伸实验中当应力增加时,材料中的应变亦 增大。但当应力增加到某一定值时，应变会随应力增加而 急剧上升。该特定应力值被定义为材料的屈服强度Sy。 对另一些材料，在应变-应力曲线中不存在该特定应力，这 时屈服强度被定义为：在拉伸实验中使材料发生永久变形 0.2%(有时是0.1%)所需的应力。 极限强度Su: 拉伸实验中加在材料上的最大的标称应力值。 T ↓ 原子热运动减弱需更大力才能将位错撕开 Sy↑
2000 2000 1800 极限强度 1800 屈服强度 1600 I600 1400 1400 (5) 304不锈钢 6304不锈钢 3 1200 (7 o (4) 1000 1000 (3) (9) 800 ②L 800 (2 (7,9) ) (6) 600 600 (6) 400 () 400 200 200 (8) (8) 00 50 00 150 200 250 300 350 Temperature.K 00 0 100 150200 250300350 Temperature,K 几种工程材料的屈服强度和极限强度：（1)2024一T4铝；(2) 铍青铜；(3)K 蒙乃尔合金；(4)钛； （5)304不锈钢； (6)C1020碳钢；(7)9镍钢；(8) 特氟隆(Teflon);(9) Invar-36合金 上降充通大学 2018年3月6日 4 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY
2018年3月6日 4 几种工程材料的屈服强度和极限强度:（1）2024—T4铝；（2）铍青铜；（3）K 蒙乃尔合金；（4）钛；（5）304不锈钢；（6）C1020碳钢；（7）9镍钢； (8） 特氟隆（Teflon)；（9）Invar-36 合金. 304不锈钢 304不锈钢 极限强度 屈服强度
疲劳强度 材料对应力的承受情况随时间而变化，最常用的检测方法是弯曲试验。 在某一给定的次数下，材料发生破损所需的应力称为疲劳强度S: 1200 图：在106循环次数下一些材料的疲 1100 劳强度：（1)2024一T4铝；（2) 1000 铍青铜；3)K蒙乃尔合金；（4)钛； 304不锈钢 (5)304不锈钢；（6)C1020碳钢 900 5) 9.000 时间长，数据少 700 (2) 疲劳强度 T→需要更大的应力才能 b 600 (4) 使裂缝扩大→疲劳强度↑ 500 (3) 400 2 4) (6) 对于铝合金，当温度下降时，其疲劳强 300 度与极限强度的比值保持恒定。该事 200 实可以来估计低温下有色金属材料的 100 疲劳强度值。 0 0 50 100 0 200 250 300 350 Temperature,K 16日 5
2018年3月6日 5 疲劳强度 图： 在106循环次数下一些材料的疲 劳强度：（1）2024—T4铝；（2） 铍青铜；3）K蒙乃尔合金；（4）钛； 304不锈钢 （5）304不锈钢；（6）C1020碳钢 T↓ 需要更大的应力才能 使裂缝扩大疲劳强度↑ 时间长，数据少 对于铝合金,当温度下降时,其疲劳强 度与极限强度的比值保持恒定。该事 实可以来估计低温下有色金属材料的 疲劳强度值。 材料对应力的承受情况随时间而变化, 最常用的检测方法是弯曲试验。 在某一给定的次数下, 材料发生破损所需的应力称为疲劳强度Sf 疲劳强度
冲击强度 摆锤式和悬臂梁式冲击试验测量物体抵抗冲击载荷 抗冲击性大部份取决于材料的晶体结构。 面心立方晶格材料具有许多滑移面，因此它比体心立方 晶格材料更易形成塑性变形。具有面心立方晶格和六方 晶格的金属在冲击实验中将由于塑性永久变形而断裂( 因而在断裂前会吸收大量的能量) 体心立方晶格的金属，在达到一定温度时，由于劈裂而发 生折断（因而它只吸收了少量的能量），因此这些材料在 低温时会变得很脆。 如碳钢，室温降至78K时，冲击强度急剧下降。 许多塑料和橡胶材料在被冷到某一转变温度以下时也会变脆，只 有聚四氟乙烯和聚三氟氯化乙烯聚合体、聚酰亚胺等例外。 上降充通大学 2018年3月6日 6 SHANGHAI JLAO TONG UNIVERSITY
2018年3月6日 6 冲击强度 摆锤式和悬臂梁式冲击试验 测量物体抵抗冲击载荷 抗冲击性 大部份取决于材料的晶体结构。 面心立方晶格材料具有许多滑移面,因此它比体心立方 晶格材料更易形成塑性变形。具有面心立方晶格和六方 晶格的金属在冲击实验中将由于塑性永久变形而断裂( 因而在断裂前会吸收大量的能量) 体心立方晶格的金属,在达到一定温度时,由于劈裂而发 生折断(因而它只吸收了少量的能量)，因此这些材料在 低温时会变得很脆。 如碳钢, 室温降至78K时, 冲击强度急剧下降。 许多塑料和橡胶材料在被冷到某一转变温度以下时也会变脆，只 有聚四氟乙烯和聚三氟氯化乙烯聚合体、聚酰亚胺等例外
I60 冲击强度 140 低温下材料摆锤冲击强度： 120 摆锤冲击强度 (1)2024-T4铝； (2)铍青铜； 100 (3)K蒙乃尔合金； 80 (4)钛； 0 (5)304不锈钢； 60 304不锈钠 (6) C1020碳钢； m, (5) (7)9镍钢 .355)J (6) 2) 20 (3) 碳钢的塑脆性转变 (4) ⑩ 0 50 I00 50 200 250 300 350 Temperature,K 上游气通大学 2018年3月6日 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY
2018年3月6日 7 低温下材料摆锤冲击强度： （1）2024—T4铝； （2）铍青铜； （3）K蒙乃尔合金； （4）钛； （5）304不锈钢； （6）C1020碳钢； （7）9镍钢 摆 锤 冲 击 强 度( 1.355) J 碳钢 的塑脆性转变 304不锈钢 冲击强度
硬度和延展性 硬度可用标准硬度试验压头在材料表面的刻痕来测量 金属硬度与材料极限强度成正比→硬度随温度降低而增大 延展性可用试件在简单拉伸实验中被拉断时的伸长率或截面积 减少率来描述 脆性材料和塑性材料的分界是5%的伸长率或0.05cm/cm的 应变 无塑脆性转变现象的材料：延展性随温度下降而上升 有低温塑脆性转变的材料（如碳钢转变时伸长率从25%~ 30%降至2%∞3%) 在延展性重要的场合，这些材料不应在低温下使用。 上游充通大学 2018年3月6日 8 SHANGHAI JLAO TONG UNIVERSITY
2018年3月6日 8 硬度和延展性 延展性可用试件在简单拉伸实验中被拉断时的伸长率或截面积 减少率来描述。 脆性材料和塑性材料的分界是5%的伸长率或0.05cm/cm的 应变 无塑脆性转变现象的材料： 延展性随温度下降而上升 有低温塑脆性转变的材料 (如碳钢转变时伸长率从25%～ 30%降至2%～3%） 在延展性重要的场合,这些材料不应在低温下使用。 硬度可用标准硬度试验压头在材料表面的刻痕来测量 金属硬度与材料极限强度成正比 硬度随温度降低而增大
60 延展性 (5) 50 304怀锈钢 各种材料的延展性： 破坏前的延展率% 40 (1)024一T4铝； (2) 铍青铜； (3 (3) K蒙乃尔合金； 30 (4) 钛； (6) (1) (5) 304不锈钢； 20 (2) 6) C1020碳钢； C1020碳钢 (7) 9镍钢 (4) 10 0 50 100 50 200 250 300350 Temperature,K 上气通大学 2018年3月6日 9 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY
2018年3月6日 9 破 坏 前 的 延 展 率 % 各种材料的延展性： （1）024—T4铝； （2）铍青铜； （3）K蒙乃尔合金； （4）钛； （5）304不锈钢； （6）C1020碳钢； （7）9镍钢 304不锈钢 C1020碳钢 延展性
弹性模量 常用的弹性模量有三种： 〔1)杨氏模量E,即等温时在弹性限度内拉伸应力的变化量 与应变的变化量的比值： 国 (2)剪切模量G,即等温时在弹性限度内剪切应力的变化量 与剪切应变的变化量之比： (3)体模量B,即等温时压力变化量与体积变化量的比值。 在低温范围内当温度变化时没有明显的变化 材料各向同性 可用泊松比联系三个量，它是所加应力垂直方 向上的应变与所加应力平行方向上的应变之比 E E 温度下降时，由于原子和分子振动的干扰降 B G- 低，因此原子和分子间作用力增大。由于弹 3(1-2) 2(1+) 性作用是原子和分子间作用力的体现，因此 当温度下降时，弹性模量增大。 熟 上游充通大 2018年3月6日 10 SHANGHAI JLAO TONG UNIVERSITY
2018年3月6日 10 弹性模量 常用的弹性模量有三种: (1) 杨氏模量E,即等温时在弹性限度内拉伸应力的变化量 与应变的变化量的比值; (2) 剪切模量G,即等温时在弹性限度内剪切应力的变化量 与剪切应变的变化量之比; (3) 体模量B,即等温时压力变化量与体积变化量的比值。 材料各向同性 B E 3(1 2) G E 2(1 ) 温度下降时,由于原子和分子振动的干扰降 低,因此原子和分子间作用力增大。由于弹 性作用是原子和分子间作用力的体现,因此 当温度下降时,弹性模量增大。 在低温范围内当温度变化时没有明显的变化