低温材料基础

本书是在中国科学院大学研究生授课讲义的基础上编撰而成。本课程为“制冷及低温工程”“动力机械及工程”“工程热物理”等专业的研究生的专业普及课，主要讲授金属、聚合物和纤维增强聚合物基复合材料在低温下的力学性能、电学性能、热学性能和磁学性能及测量方法。此外，本书还简要介绍了实用超导材料。本书可作为制冷及低温工程等专业的本科生和研究生教材及参考书，还可作为从事低温技术及材料科学的科研人员的参考书。

李来风，博士生导师，中国科学院理化所技术研究所研究员、科技委员会副主任。李来风毕业于中国科学院物理研究所，获理学博士学位，先后在美国密西根大学做博士后和意大利国际高等科技中心做访问学者。李来风长期从事低温材料、低温工程和应用超导研究，解决了适用于低温的陶瓷和树脂基材料的设计原理、结构演化、性能调控等关键科学问题。李来风研制的陶瓷、负热膨胀及树脂基材料在航天、深海探测和超导磁约束聚变装置等领域得到应用。李来风已发表学术论文200余篇，授权国家发明专利20余项。黄传军，博士生导师，中国科学院理化所技术研究所研究员。黄传军毕业于香港理工大学，获理学博士学位。黄传军主要从事树脂基复合材料和金属材料研发、低温力学性能表征方法和技术标准以及工程材料低温物性数据库建设等工作。黄传军已发表学术论文40余篇，制定国家、行业和团体标准10余项。

目 录 第1 章 绪论????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.1 1.1 低温简介?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.1 1.2 低温材料简介???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.3 1.2.1 低温材料发展简史????????????????????????????????????????????????????????????????????.4 1.2.2 不同低温材料性能及应用简介?????????????????????????????????????????????????????.5 1.2.3 与低温材料相关的事故和实例?????????????????????????????????????????????????????.6 1.3 低温材料选取的注意事项????????????????????????????????????????????????????????????????????.7 1.3.1 介质相容性?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.7 1.3.2 低温韧脆转变??????????????????????????????????????????????????????????????????????????.8 1.3.3 热应力和热应变???????????????????????????????????????????????????????????????????????.8 1.3.4 抗热震性????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????11 1.3.5 低温诱发相变??????????????????????????????????????????????????????????????????????????12 1.4 本章小结?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????12 复习思考题1???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????12 本章参考文献??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????12 第2 章 材料低温力学性能??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????14 2.1 材料的低温弹性变形??????????????????????????????????????????????????????????????????????????14 2.1.1 弹性变形????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????14 2.1.2 模量??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????16 2.1.3 泊松比???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????20 2.2 材料的低温塑性和强度???????????????????????????????????????????????????????????????????????23 2.2.1 塑性变形????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????24 2.2.2 强度??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????26 2.2.3 静强度准则与安全系数??????????????????????????????????????????????????????????????29 2.3 材料的低温韧性????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????30 2.3.1 冲击韧度与低温韧脆转变???????????????????????????????????????????????????????????30 2.3.2 断裂力学与断裂韧度?????????????????????????????????????????????????????????????????36 2.4 材料的低温疲劳性能??????????????????????????????????????????????????????????????????????????51 2.4.1 变应力与材料疲劳????????????????????????????????????????????????????????????????????51 2.4.2 S -N 曲线与ε-N 曲线?????????????????????????????????????????????????????????????????52 2.4.3 疲劳裂纹扩展速率及门槛值????????????????????????????????????????????????????????55 2.4.4 疲劳设计概要??????????????????????????????????????????????????????????????????????????57 低温材料基础 ?VIII? 2.5 本章小结?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????58 复习思考题2???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????58 本章参考文献??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????59 第3 章 材料低温物理性能??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????61 3.1 低温热学性能???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????61 3.1.1 比热??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????61 3.1.2 热导率???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????77 3.1.3 热扩散系数?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????84 3.1.4 接触热阻????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????85 3.1.5 热发射率????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????90 3.1.6 热膨胀???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????92 3.2 低温电学性能???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????94 3.2.1 金属材料电导率???????????????????????????????????????????????????????????????????????94 3.2.2 剩余电阻率（RRR） ?????????????????????????????????????????????????????????????????96 3.2.3 半导体材料电导率????????????????????????????????????????????????????????????????????98 3.2.4 温差电现象?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????98 3.2.5 低温温度的电测量方法??????????????????????????????????????????????????????????????99 3.3 材料的低温磁学性能???????????????????????????????????????????????????????????????????????.100 3.3.1 材料的低温磁学性能简介????????????????????????????????????????????????????????.100 3.3.2 低温对奥氏体不锈钢磁学性能的影响?????????????????????????????????????????.102 3.3.3 焊接对奥氏体不锈钢磁学性能的影响?????????????????????????????????????????.103 3.3.4 塑性变形对奥氏体不锈钢磁学性能的影响???????????????????????????????????.104 3.3.5 磁场对金属材料低温力学性能的影响?????????????????????????????????????????.104 3.4 本章小结??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.106 复习思考题3????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.106 本章参考文献???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.107 第4 章 金属材料???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.109 4.1 低温马氏体相变?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.109 4.1.1 马氏体相变的基本特征???????????????????????????????????????????????????????????.109 4.1.2 Fe-Ni-Cr 系奥氏体不锈钢的马氏体相变??????????????????????????????????????.112 4.1.3 Fe-Mn-Cr 系奥氏体不锈钢的马氏体相变?????????????????????????????????????.117 4.2 低温“锯齿”形流变???????????????????????????????????????????????????????????????????????.118 4.2.1 吕德斯屈服??????????????????????????????????????????????????????????????????????????.119 4.2.2 PLC 效应?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.120 4.2.3 低温不连续屈服????????????????????????????????????????????????????????????????????.122 4.3 金属材料氢脆????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.130 4.3.1 金属材料氢脆简介?????????????????????????????????????????????????????????????????.130 目 录 ?IX? 4.3.2 典型金属材料的氢脆特征????????????????????????????????????????????????????????.134 4.4 钢???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.136 4.4.1 锰钢和镍钢??????????????????????????????????????????????????????????????????????????.137 4.4.2 马氏体时效钢???????????????????????????????????????????????????????????????????????.140 4.4.3 不锈钢????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.141 4.4.4 奥氏体钢和奥氏体不锈钢????????????????????????????????????????????????????????.144 4.5 镍基合金和高温合金???????????????????????????????????????????????????????????????????????.150 4.5.1 镍基合金和高温合金简介????????????????????????????????????????????????????????.150 4.5.2 镍基合金和镍基、铁镍基高温合金的低温性能?????????????????????????????.151 4.6 钛和钛合金???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.154 4.6.1 传统钛合金和高性能钛合金?????????????????????????????????????????????????????.154 4.6.2 传统钛合金低温性能??????????????????????????????????????????????????????????????.155 4.7 铝和铝合金???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.162 4.7.1 铝合金分类??????????????????????????????????????????????????????????????????????????.162 4.7.2 铝合金低温性能????????????????????????????????????????????????????????????????????.168 4.8 铜和铜合金???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.173 4.8.1 铜合金分类??????????????????????????????????????????????????????????????????????????.173 4.8.2 铜合金低温性能????????????????????????????????????????????????????????????????????.174 4.9 本章小结??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.177 复习思考题4????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.177 本章参考文献???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.177 第5 章 非金属材料????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.180 5.1 高分子材料???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.180 5.1.1 塑料???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.180 5.1.2 橡胶???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.181 5.1.3 高分子材料低温性能及应用?????????????????????????????????????????????????????.182 5.1.4 环氧树脂?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.186 5.1.5 低温结构胶黏剂????????????????????????????????????????????????????????????????????.187 5.2 陶瓷材料??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.188 5.2.1 陶瓷材料及基本性能??????????????????????????????????????????????????????????????.188 5.2.2 常用工程陶瓷材料?????????????????????????????????????????????????????????????????.189 5.2.3 陶瓷材料低温性能?????????????????????????????????????????????????????????????????.193 5.2.4 陶瓷材料增韧???????????????????????????????????????????????????????????????????????.194 5.2.5 陶瓷基复合材料????????????????????????????????????????????????????????????????????.196 5.3 纤维增强聚合物基复合材料??????????????????????????????????????????????????????????????.198 5.3.1 纤维及纤维制品????????????????????????????????????????????????????????????????????.198 5.3.2 纤维增强树脂基复合材料制备方法????????????????????????????????????????????.213 5.3.3 纤维增强树脂基复合材料低温性能及应用???????????????????????????????????.217 低温材料基础 ?X? 5.4 本章小结??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.227 复习思考题5????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.228 本章参考文献???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.228 第6 章 实用超导材料?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.230 6.1 超导电性简介????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.230 6.1.1 零电阻现象??????????????????????????????????????????????????????????????????????????.230 6.1.2 临界温度及临界磁场强度????????????????????????????????????????????????????????.232 6.1.3 超导体的磁性???????????????????????????????????????????????????????????????????????.234 6.1.4 第Ⅰ类和第Ⅱ类超导体???????????????????????????????????????????????????????????.235 6.1.5 伦敦方程和穿透深度??????????????????????????????????????????????????????????????.237 6.1.6 超导电性的BCS 理论?????????????????????????????????????????????????????????????.238 6.1.7 超导环内磁通量子化??????????????????????????????????????????????????????????????.239 6.1.8 混合态????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.239 6.2 实用超导材料????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.240 6.2.1 Nb-Ti 合金超导体??????????????????????????????????????????????????????????????????.242 6.2.2 Nb3Sn ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.247 6.2.3 MgB2 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.257 6.2.4 铜氧化物超导体????????????????????????????????????????????????????????????????????.262 6.3 超导磁体简介????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.272 6.3.1 超导磁体的应用????????????????????????????????????????????????????????????????????.273 6.3.2 小型超导磁体设计简介???????????????????????????????????????????????????????????.280 6.4 本章小结??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.291 复习思考题6????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.291 本章参考文献???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.291 第7 章 材料低温力学性能测量方法???????????????????????????????????????????????????????????????.294 7.1 低温环境和测量设备???????????????????????????????????????????????????????????????????????.294 7.1.1 低温环境?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.294 7.1.2 应变速率?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.295 7.1.3 试验机????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.296 7.1.4 变形测量和电子引伸计???????????????????????????????????????????????????????????.297 7.1.5 反向结构和多试样工装???????????????????????????????????????????????????????????.298 7.2 准静态拉伸、压缩、弯曲、剪切和扭转性能测量???????????????????????????????????.301 7.2.1 准静态拉伸性能测量??????????????????????????????????????????????????????????????.301 7.2.2 压缩性能测量???????????????????????????????????????????????????????????????????????.319 7.2.3 弯曲性能测量???????????????????????????????????????????????????????????????????????.328 7.2.4 剪切性能测量???????????????????????????????????????????????????????????????????????.333 7.2.5 扭转性能测量???????????????????????????????????????????????????????????????????????.339 目 录 ?XI? 7.3 准静态断裂韧度测量???????????????????????????????????????????????????????????????????????.342 7.3.1 金属材料准静态断裂韧度测量??????????????????????????????????????????????????.342 7.3.2 工程塑料断裂韧度测量???????????????????????????????????????????????????????????.368 7.3.3 纤维增强树脂基复合材料断裂韧度测量??????????????????????????????????????.370 7.4 低温疲劳力学性能和疲劳裂纹扩展速率测量?????????????????????????????????????????.373 7.4.1 低温疲劳力学性能测量???????????????????????????????????????????????????????????.373 7.4.2 疲劳裂纹扩展速率（FCGR）测量?????????????????????????????????????????????.382 7.5 低温简支梁冲击性能测量?????????????????????????????????????????????????????????????????.385 7.5.1 冲击性能测量方法?????????????????????????????????????????????????????????????????.385 7.5.2 低温冲击性能测量方法???????????????????????????????????????????????????????????.387 7.5.3 低温吸收能量与准静态断裂韧度的关联性???????????????????????????????????.388 7.6 本章小结??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.389 复习思考题7????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.389 本章参考文献???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.389 第8 章 材料低温热学和电学性能测量????????????????????????????????????????????????????????????.391 8.1 低温热学性能测量方法????????????????????????????????????????????????????????????????????.391 8.1.1 低温热膨胀性能测量??????????????????????????????????????????????????????????????.391 8.1.2 低温热导率测量????????????????????????????????????????????????????????????????????.393 8.1.3 低温比热测量???????????????????????????????????????????????????????????????????????.396 8.1.4 低温发射率测量????????????????????????????????????????????????????????????????????.400 8.2 低温电学性能测量方法????????????????????????????????????????????????????????????????????.401 8.2.1 剩余电阻率测量????????????????????????????????????????????????????????????????????.401 8.2.2 超导材料临界电流测量???????????????????????????????????????????????????????????.402 8.3 本章小结??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.404 复习思考题8????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.404 本章参考文献???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.404