低温物理与技术-第3章 材料的低温性质

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。
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Baidu Nhomakorabea
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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。
计算系数 K (W/m2KPa)
O2 H2 Ne He 气体种类 N2 空气 T1与T2 <400 <360 300～ 77～ 任意 <360K K K 77K 20K 的范围 K10 1.193 1.118 3.961 2.986 2.101 1.114
3.5 界面传热和卡皮查热阻
Liquid He-II/solid
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 PPMS Probe
磁体中心
温度计、加热器
液氦流阻器
3.1 力学性质
棉酚
环氧树脂
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。
3.6 传热的计算
the diameter of the top plate and dewar is 30 cm
2 cm in diameter with a 0.4 mm wall thickness and spans a distance of 1.5 m between the top of the shipping dewar and the surface of the liquid helium.
式中的a1,a2分别为气体分子在表面的温度适用系数
a 为总的适用系数
0
若冷表面积A1近似等于热表面积A2，则
a1 a2 a0 a1 a2 a1 a2
不同温度下几种气体的a值
温度(K) 氦气(He) 氢气(H2) 氖气(Ne) 空气(Air) 300 77 20 4 0.29 0.42 0.59 1.00 0.29 0.53 0.97 / 0.66 0.83 1.00 / 0.8～0.9 1.00 1.00 /
对于同心球体或圆柱体，系 统黑度Fe
1 1 A1 1 ( 1) Fe 1 A2 2
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。
1 1 1 2 1 1 ( 1) ( N 1)( 1) ( 1) Fe 1 s s 2 s
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。 与极限强度一样，温度降低， 金属材料硬度增大。
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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。
E B 31 2
E G 21
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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。
3.2 电磁性质 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
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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
10 pairs of tightly twisted wires, each wire having a diameter of 0.127 mm
two additional quad cables (eight wires total) of phosphorbronze wire (#36 AWG or ~0.125 mm diameter) for the thermometers
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，dMdH
dM m dH h
Mac=mcoscost+msinsint
m cos ' h
m sin '' h
磁化率也可以用复数来表示：

~
mei (t ) 'i ' ' ~ it he dH dM
~
次级线圈输出的瞬时电压为
dI (t ) 1 (t ) 2 (t ) ( M 1 M 2 ) dt
式中M1和M2分别是线圈1和线圈2的互感系数。
3.3 热传导
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。
（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 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。
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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
1 k t ( 9 5) cv v 8
固体热导率
固体热导率
1 k t cv v 3
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。
A1 ε1 T1
A2 ε2 T2
两表面之间的辐射传热可由斯蒂芬—玻尔兹曼定律描述：
Q Fe F12A1 (T T )
4 2 4 1
对于低温容器， 形状因子
F1 2 1
为辐射屏黑度 高真空绝热中，内外容器壳体之间 传热量Q可表示为：
k 1 a0 P Q 18.2 A1 (T2 T1 ) k 1 MT
k --绝热指数，M--气体分子量；P--残余气体压力 或
Q Ka0 P(T2 T1 ) A
a1 a2 a0 A1 a1 ( )(1 a2 ) a1 A2
a separate pair of larger copper leads whose size is optimized for the sample transport current (which, we assume, will not exceed 500 mA)
500 mA
1.5x10-7 m2
(~0.450 mm)
In the worst case
In the best case
0.15m
Parts per million
交流磁化率实验
温度计 样品 初级 加热 次级1 次级2
M M dc dc H H dc
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。
磁场
H=Hdc+Hac=Hdc+hcost
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