В криофизике изучение механических свойств материалов при низких
температурах является критически важным, так как их поведение
значительно отличается от свойств при комнатной температуре. Снижение
температуры влияет на жесткость, пластичность, прочность и вязкость
материалов, что необходимо учитывать при проектировании криогенных
установок, сверхпроводящих систем и конструкций для экстремальных
условий.
Температурная
зависимость модуля упругости
Модуль упругости (модуль Юнга) характеризует
способность материала сопротивляться деформации при приложении нагрузки.
При снижении температуры модули упругости большинства металлов и сплавов
увеличиваются. Это связано с уменьшением тепловых колебаний атомов
кристаллической решетки, что снижает амплитуду внутренних колебаний и
повышает сопротивление деформации.
Ключевые моменты:
- Для металлов с FCC-структурой (Cu, Al, Ni) модуль Юнга увеличивается
плавно при охлаждении до 4 К.
- Для BCC-металлов (Fe, W) наблюдаются более сложные аномалии,
связанные с фазовыми переходами при низких температурах.
- В полимерах модуль упругости увеличивается резче вблизи температуры
стеклования Tg, так как
аморфные цепи становятся жесткими и почти не подвижными.
Пластичность и хрупкость
Снижение температуры приводит к уменьшению
пластичности большинства материалов и повышению их
хрупкости. Этот эффект особенно выражен у металлов с
BCC-решеткой, например, у железа и никеля. При температуре ниже так
называемой температуры перехода хрупкость–пластичность
материал может разрушаться без заметной пластической деформации.
Особенности поведения:
- Металлы FCC сохраняют относительную пластичность даже при
жидкокриогенных температурах.
- Хрупкость проявляется в виде резкого уменьшения удлинения при
разрыве и увеличения предела текучести.
- Полимеры и композиты могут демонстрировать резкое снижение ударной
вязкости и склонность к образованию трещин.
Прочность и предел текучести
С понижением температуры предел текучести
большинства металлов увеличивается, что связано с уменьшением
подвижности дислокаций. Одновременно увеличивается прочность на
разрыв, особенно у сталей и алюминиевых сплавов, используемых в
криогенной технике.
Примеры изменений:
- Сталь марки 304 при охлаждении до 77 К: предел текучести
увеличивается примерно на 40–60%, удлинение уменьшается в 2–3 раза.
- Алюминиевые сплавы типа Al–Mg–Si демонстрируют повышение прочности
до 1,5 раз при жидком азоте, но теряют значительную пластичность.
Влияние
криогенной температуры на вязкость и деформацию
Вязкоупругие материалы при низких температурах
переходят в почти идеально упругое состояние, а скорость релаксации
деформаций уменьшается. Это приводит к:
- Снижению энергии, рассеиваемой при деформации.
- Увеличению вероятности возникновения трещин при динамических
нагрузках.
- Замедлению процессов ползучести, что особенно важно для полимерных и
композиционных материалов.
Для металлов вязкость динамической деформации увеличивается, что
делает их менее податливыми к ударным нагрузкам при криогенных
температурах.
Аномальные эффекты и
фазовые переходы
Некоторые материалы демонстрируют аномальные изменения
механических свойств при сверхнизких температурах:
- Переход α → β в железе (BCC → FCC) сопровождается изменением модуля
упругости и ударной вязкости.
- Сплавы с памятью формы (NiTi, CuZnAl) при охлаждении могут проявлять
нестандартные упругие свойства, включая суперупругость при низких
температурах.
- Керамики и стекла становятся чрезвычайно хрупкими, хотя их модуль
упругости растет.
Эти эффекты необходимо учитывать при проектировании конструкций,
работающих в диапазоне 4–77 К.
Методы
исследования механических свойств в криофизике
Основные методы включают:
- Испытания на растяжение и сжатие в криостатах с
точной температурной стабилизацией.
- Ударные испытания (Charpy, Izod) для определения
хрупкости при низких температурах.
- Микротвердость и нанотвердость для изучения
локальных изменений механических свойств.
- Резонансные методы для измерения модулей упругости
в широком температурном диапазоне.
Использование этих методов позволяет получать количественные данные
для расчетов и моделирования поведения материалов при экстремально
низких температурах.
Практическое значение
Понимание механических свойств при криогенных температурах критично
для:
- Конструкций криостатов и контейнеров для жидкого гелия и азота.
- Сверхпроводящих магнитов, где материалы испытывают как статические,
так и динамические нагрузки при ~4 К.
- Космических аппаратов и спутников, где материалы подвергаются
экстремально низким температурам и температурным перепадам.
- Производства полупроводниковых и оптоэлектронных устройств, где
механические напряжения могут вызвать микротрещины.