低温物理与技术-第3章 材料的低温性质.ppt

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1、第3章材料的低温物理性质低温测量系统示意图磁体－样品室PPMSProbe磁体中心温度计、加热器液氦流阻器3.1力学性质环氧树脂棉酚极限强度和屈服强度温度降低时，材料中原子的振动减弱。由于原子的热扰动的减弱，就需要更大的力才能将位错从合金中分开。因此，材料的极限强度和屈服强度将增大。（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合金疲劳强度疲劳现象的产生是由于裂纹的产生和

2、扩大。温度降低时，需要更大的应力才能使裂纹扩大，因此，材料的疲劳强度将增大。冲击强度一些材料会发生塑性脆性的转变，如碳钢在液氮温度附近冲击强度急剧下降。抗冲击性的表现好坏大部分取决于材料的晶体结构。面心立方晶格在低温下抗冲击性较好，体心立方晶格较差。少数材料，如一些玻璃钢材料，在低温下冲击强度会提高硬度和延展性脆性和塑性材料的分界是5%的伸长率或0.05cm/cm的应变。对低温下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，延展性在低温下会急剧下降，不能应用于低温。与极限

3、强度一样，温度降低，金属材料硬度增大。弹性模量三种弹性模量：杨氏模量E，剪切模量G，体模量B。三者以泊松比相联系。弹性模量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。各向同性材料的泊松比在低温范围内随温度变化很小。电磁性能：电导率将外部电场加在电导体上时,导体中的自由电子被迫沿电场方向运动。其运动受到金属晶格正离子和杂质原子的阻挡温度降低,离子的振动能量降低,对电子运动的干扰较小。因此,对金属导体,温度降低时电导率增大(电阻率减小)电阻率(1)铜，(2)银，(3)铁，(4)铝3.2

4、电磁性质Partspermillion通过零点的直线和很小时才有关系’dc=dc，一般两者是不同的。次级1次级2初级加热温度计样品交流磁化率实验磁场H=Hdc+Hac=Hdc+hcost磁化强度M=Mdc+Mac，或M=Mdc+mcos(t-)是角频率，角标dc指直流，ac指交流，h和m分别是交流外场和磁化强度的振幅，M的位相落后是磁滞所致。线性近似下，dMdHMac=mcoscost+msinsint磁化率也可以用复数来表示：次级线圈输出的瞬时电压为式中M1和M2分别是

5、线圈1和线圈2的互感系数。热性能:热导率材料热传导的三种机理：1)电子运动：金属导体。2)晶格振动：固体。3)分子运动：有机物固体和各种气体。液体主要是分子振动能量传递，气体主要是平动（单原子）以及平动与转动（双原子）能量传递。由气体分子运动论，材料热导率的理论表达式3.3热传导固体热导率固体热导率液氮温度以上，纯金属热导率基本为定值；液氮温度以下，热导率与T-2成正比；达到一极值后，热导率随温度下降而下降。无序合金和不纯金属热导率随温度下降而下降，合金中无最大值现象。3.4辐射传热高真空绝热采用

6、真空绝热即能消除传热的两个主要因素即固体导热和气体对流换热。两表面之间的辐射传热可由斯蒂芬—玻尔兹曼定律描述：对于低温容器，形状因子对于同心球体或圆柱体，系统黑度FeA1ε1T1A2ε2T2通过在冷热两表面之间间隔辐射屏(一般为高反射率的材料)可大大减少热辐射。高真空绝热中，内外容器壳体之间传热量Q可表示为：为辐射屏黑度k--绝热指数，M--气体分子量；P--残余气体压力或式中的a1,a2分别为气体分子在表面的温度适用系数a0为总的适用系数若冷表面积A1近似等于热表面积A2，则不同温度下几种气体

7、的a值温度(K)氦气(He)氢气(H2)氖气(Ne)空气(Air)3000.290.290.660.8～0.9770.420.530.831.00200.590.971.001.0041.00///计算系数K(W/m2KPa)气体种类N2O2H2NeHe空气T1与T2的范围<400K<360K300～77K77～20K任意<360KK101.1931.1183.9612.9862.1011.1143.5界面传热和卡皮查热阻LiquidHe-II/solid3.6传热的计算2cmindiamet

8、erwitha0.4mmwallthicknessandspansadistanceof1.5mbetweenthetopoftheshippingdewarandthesurfaceoftheliquidhelium.10pairsoftightlytwistedwires,eachwirehavingadiameterof0.127mmtwoadditionalquadcables(eightwirestotal)ofphosphor-bronzewire(#36AWGor~0