神奇的低温材料.pdf

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1、神奇的低温材料外国语学院宋超【关键词】拿破仑的纽扣冷脆低温材料材料化学一．从拿破仑的纽扣讲起1812年，在欧洲大陆上取得了一系列辉煌胜利的拿破仑兵败俄罗斯。世人往往将其失败归结为战线拖得太长、后勤供应不上。但加拿大著名化学家潘妮·拉古德所著《拿破仑的纽扣：改变历史的16个化学故事》中提到，一个简单的化学反应很有可能对拿破仑的失败起了重要作用。拿破仑军的军服上，采用的是锡制纽扣。锡是一种坚硬的金属,然而它有3种同素异形体——白锡、脆锡和灰锡。在常温下，我们通常所看到的锡是银白色的白锡，白锡坚硬且稳定，而在低温下（13.2摄氏度以下

2、），白锡可以开始发生化学反应而变成粉末状的灰锡。Sn(s、灰)Sn(s、白);△H＝＋2.1kJ/mol白锡为银白色金属，有延展性，为四方晶系，密度为7.31g/cm3灰锡为金刚石形立方晶系，密度为5.75g/cm3灰锡比白锡密度小，因此低温下白锡体积膨胀，锡上会出现一些粉状小点，然后会出现一些小孔，最后其边缘会分崩离析。如果温度急剧下降到零下33摄氏度时，就会产生锡疫（tinplague），晶体锡会变成粉末锡。由于衣服上没有了纽扣，数十万大军在冰天雪地中敞开着衣服，许多人被活活冻死，还有一些人得病而死。潘尼道：“毫无疑问，18

3、12冬天的寒冷温度是造成拿破仑征俄大军崩溃的主要因素，而锡在低温度下可变的特性，正是拿破仑士兵被迫披上这些古怪衣服的真正原因。”类似的案例也发生在了1867年冬天的俄国。当气温达到零下38摄氏度以下，彼得堡海军仓库里发生了一件怪事：堆在仓库内的大批锡砖全部变成了灰色粉末。而从仓库里取出军大衣发给士兵时，发现纽扣都不见了，同样只留下一些灰色粉末。而在1912年，英国探险家斯科特率领一支探险队，在携带了大量给养的情况下冻死在了南极。原来，斯科特一行人在返回的路上发现，储藏库里的装煤油的铁桶上有裂缝，煤油已经全部漏完了。后来科学家们经

4、过反复研究终于发现，原来盛煤油的铁桶是用锡焊的，当锡变成粉末时，煤油就顺着缝隙流出来了。二．金属的低温冷脆断裂随着科技的发展与认识的深入，人们也许不会再犯锡纽扣这样的错误，合金、有机高分子材料、复合材料等的大量使用，使得我们的选择越来越多。也许在今天看来，拿破仑的军队用锡做纽扣是可笑的。可必须考虑到：世界上最早的人工塑料是19世纪60年代的美国人发明的，当时只是将其用作制造台球，而塑料纽扣的应用还要等到20世纪20年代。在19世纪初的法国人看来，锡的确是最合适的纽扣材料了。现今，人类所追求的低温已经不再是零下几十度，它正在向绝对

5、零度发展。于是，我们对低温材料的要求也日益增加，而其面临的问题，也涉及到了更加深层次的微观结构变化。1金属的断裂原因和方式有很多种，也有很多不同的分类方法。在“拿破仑的纽扣中”，锡在低温下发生了两种同素异形体之间的转化，以至于变为了粉末。在现今低温材料发展中，遇到的最常见的问题是材料的“低温冷脆断裂”。虽然玻璃的硬度比铁大，但是用小铁锤轻轻一锤它就破碎了，这就是许多固体物质所表现出的脆性。在脆性物体中价和电子多，结构元多，结构元彼此相互连接，建立了相互牵制的整体性结构。当物体受外力突然较大时，只要损坏了几个结构元，这些结构元的价

6、和电子逸出，造成价和运转的混乱，使结构元连续解体，物体全线崩溃、破碎，呈脆性。如陶瓷、玻璃、白口铁等物体内价和电子多，结构元互相牵制，故这些物体的脆性大。有一些金属材料如体心立方晶格的中低强度钢，当温度降低时，价和电子的速率降低，价和力减小，其塑性便急剧降低，使材料脆化，这种现象叫做冷脆。工程上就把这种由于温度降低造成金属由韧性状态转变为脆性状态的转变温度叫做“韧脆转化温度”，用Tk表示。发生脆变时，裂纹的扩展速度可高达1000~3000m/s，无法加以阻止，无任何征兆。不同金属的韧脆转化温度Tk不同。Tk愈低，表示脆化倾向愈小

7、，即在低温下使用时危险性愈小。1954年冬天，在爱尔兰寒风凛冽的海面上航行的英国3万2千吨的“世界协和号”油船，突然发生船体中部断裂并沉没。1938年和1940年,在比利时的哈塞尔特城和海伦赛贝斯城先后发生了两次钢桥坍塌事故。经研究，这些事故正是材料的冷脆造成的。具有面心立方体结构的金属与合金，没有韧脆转化温度，低温下一般不会失去韧性。而六方密排结构的转变温度一般高于室温，低温下无转变。金属的晶格结构名称结构图特点示例面心立方点阵晶胞中每个顶角上铜、铝、金、银、铂、和每个面中心部有奥氏体不锈钢、黄铜（F.C.C）一个原子体心立方

8、点阵晶胞的每个顶角上铁、钼、钨、铌、钒、有一个原子、中心也铬、锂、钠、钾、铁素（B.C.C）有一个原子体不锈钢、碳钢、镍钢六方密排结构晶胞的每个顶角上锌、钙、钛、锰、镁、有一个原子，两顶面铍、钴(H.C.P)中心各有一个原子2三．常见低温材料的种类（一）铁素体钢