第2 章：工程材料的低温性能 ? 2.1 机械强度 ? 2.2 热性能 ? 2.3 电磁性能 ? 2.4 低温液体的性质 ? 极限强度σ y 和屈服强度σ u ? 疲劳强度σ f ? 冲击强度 ? 硬度和延展性 ? 弹性模量 2.1 机械强度 返回 2.1 机械强度 -σ y 、σ u 极限强度σ y 和屈服强度σ u ? 1 极限强度σ y ： 在 拉伸 试验中，当应力增加 到某一定值时，应变会随应力增加而急剧上 升，该特定应力值定义为材料的屈服强度； ? 2 屈服强度σ u ： （对另一些材料，在应变 -应 力曲线中不存在该特定应力，这时屈服强度 被定义为：在 拉伸 实验中使材料发生永久变 形 0.2%（有时是0.1% ）所需的应力）在拉伸 实验中加在材料上的最大的标称应力值。 当温度下降时，材料的屈服强度增加。 返回 2.1 机械强度 -σ f 疲劳强度σ f ? 在某一给定的次数下，材料发生 破损 所需的 应力 称为 疲劳强度 。 ? 温度降低时，材料的疲劳强度将增加。 返回 2.1 机械强度 冲击强度 ? 测试方法： 摆锤式 、悬臂式 ；提供了测量物 体抵抗冲击载荷的方法。 ? 定义： 当材料被突然加上的力所折断时，材 料将吸收的 能量 为 冲击强度 。（单位是能量 单位 J） ? 材料在低温下会变得很脆。 返回 2.1 机械强度 硬度和延展性 ? 延展性： 材料的延展性可用试件在简单拉伸实验 中被拉断时的 伸长率 或 截面积减少率 来描述。脆 性和塑性的分界为 5%或 0.05cm/cm。 大多数材料在低温下延展性会急剧下降。 ? 硬度： 金属材料的硬度可用 标准硬度试验压头 在 材料表面的刻痕来测量。 硬度随温度的降低而增大。 返回 2.1 机械强度 弹性模量 ? 杨氏模量E ：等温时，弹性限度内 拉伸应力 的变 化量与 应变 的变化量之比值。 ? 剪切模量G ：等温时，弹性限度内 剪切应力 的变 化量与 应变 的变化量之比值。 ? 体模量 B：等温时， 压力 的变化量与 体积 的变化 量之比值。 温度下降时，弹性模量增大。 返回 2.2 热性能 ? 热导率 单位面积的传热速率除以传热 方向上的温 度梯度。 ? 比热容 为使单位质量的物体温度上升 1度所需的能 量。 返回 2.3 电磁性能 ? 电导率 单位截面上的电流除以电流方向上的电压梯 度。 电阻率是电导率的倒数。 ? 超导电性 超导电性是指电阻很低，由于电阻极低，将 会衍生出一些独特的现象（见超流氦）。 某些材料只有在极低温度下才具有超导电性， 即电阻降为零并具有完全抗磁性。 返回 2.4 低温液体的性质 ? 氮、氧、氩、氖、氟、甲烷（天然气） ? 氢 ? 氦 4 返回 2.4 低温液体的性质 氮 氧 氩 氖 氟 甲烷 液体 颜色 无色 蓝色 无色 无色 淡黄色 无色 P 0 下沸 点/K 77.36 90.18 87.3 27.09 85.24 111.7 密度 /kg/m 3 807 1141 1394 1206 1507 424.1 氟：（ 1）对材料有很严重的腐蚀作用，需要有专门的材料存放氟； 低碳不锈钢和蒙乃尔合金；这两种材料与氟接触时会形成一层保护 层，阻止氟与内部金属起反应。 （ 2）有剧毒。 液化天然气(LNG ) ? 1. 天然气 (NG)定义 ? 2. 天然气用途 ? 3. 中国 NG勘探 ? 4. 中国 NG生产商 ? 5. 西气东输 ? 6. 液化天然气 LNG定义 ? 7. 全球 LNG产量 1．天然气定义 ? 在世界能源中的地位 ：天然气与煤炭、石油 并称目前世界一次能源的三大支柱。 ? 定义 ：是指在地表下孔隙性地层发现的天生 的烃类和非烃类混合物，它常常和原油伴生 在一起。大多数以甲烷为主，并包括比甲烷 重的烃类，如：乙烷、丙烷、异丁烷、正丁 烷等。除烃以外，原始的天然气中还可能存 在少量的水分、氮气、二氧化碳、硫化氢、 氦、氧、氩等气体。 ? 基本特性 ：天然气无色、无味、无毒且无腐 蚀性。密度约为空气的一半，为0.43kg/m 3 ， 常压下沸点为 -161.5℃。 ? 天然气是一种清洁的能源。 固定式LNG储罐-内部观察装置 固定式LNG储罐-内部观察装置 固定式LNG储罐-内部观察装置 返回 2．天然气的利用 ? ①化工原料； ? ② 燃料：民用、车用、工业用、发电 用、燃料电池用 返回 3．中国NG 勘探 3．中国NG勘探 储量 ：至 2001年底，探明储量 30111.91亿m3 。 分布 ：21个盆地之中，主要集中分布在四川、鄂尔多斯、塔里木、柴 达木、琼东南、莺歌海、东海、渤海湾、松辽、准噶尔、吐哈盆地等 11个盆 地 之中 。 四川气区 柴达木气区 塔里木气区 鄂尔多斯气区 库车－塔北 塔西南 三湖 下古风化壳 上古岩性 川东飞仙关鲕滩 川西浅层气 含气盆地 新区带 3．中国NG 勘探 返回 4．中国天然气生产商 68% 18% 9% 5% 中国石油天然气总公司 中国海洋石油总公司 中国石油化工集团公司 其它 返回 5．西气东输 ? “西气”“东输 ” “西气 ”：主要是指我国新疆、青海、川渝和 鄂尔多斯四大气区生产的天然气； “东输 ”：主要是指将上述地区的天然气输往 长江三角洲地区，同时也包括输往西宁、兰 州、北京、天津和湖南、湖北等地区。 ? “西气东输 ”有广义和狭义两个概念 广义：目前正在建设和将要建设的3 条输气管 线，即青海涩北—甘肃兰州、重庆忠县—湖 北武汉、新疆塔里木—上海的输气管线。 狭义 ：新疆塔里木—上海输气管线。 5．西气东输 (新疆塔里木—上海) 输气管线全长： 4200公里，分东西线 西线：新疆 —陕西靖边；东线：陕西靖边—上海 穿越的省份 ：新疆、甘肃、宁夏、陕西、山西、河南、安 徽、江苏、上海。三渡黄河，一跨长江 年输气能力： 120~200亿 m 3 。 靖边 西安 合肥 上海 北京轮南 鄯善 哈密 武威 柳园 库尔勒 甘塘 临汾 郑州 淮南 南京 兰州 返回 6．液化天然气 LNG ? 液化天然气 (Liquefied Natural Gas)：气田开 采出来的天然气，经过脱水、脱酸性气体和 重烃类，然后压缩、膨胀、液化而成的低温 液体。 ? 基本特点 ：当 LNG在大气压下，液化温度为 -162℃； LNG无色、无味、无毒且无腐蚀 性；其体积约为同量气态天然气体积的 1/600；LNG 的重量仅为同体积水的 45%左 右；热值为 52MMBtu/t (1MMBtu=2.52× 108cal)。 返回 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 生产国 实际生产能力( 万吨/ 年) 美国 利比亚 特立尼达-多巴哥 阿布扎比 尼日利亚 阿曼 文莱 澳大利亚 卡塔尔 马来西亚 阿尔及利亚 印度尼西亚 2000年全世界现有天然气液化装置 7．全球天然气液化产量 返回 氢气 H 2 ? 基本性质 ? 氢两种分子形态 ? 氢液化装置中要用催化剂加速正－仲氢 转化 2.4 低温液体的性质 -氢 2.4 低温液体的性质 -氢 氢气 H 2 ? 1、基本性质： 无色无味、常压下沸点20.3K 、密度 70.79kg/m3； 存在氢、氘、氚三种同素异形体，氚比 较少 (氚要衰减 )。 氢气 H 2 ? 2、氢两种分子形态 正氢： o-H2，两个氢原子核自旋方向相同； 仲氢： p-H2，两个氢原子核自旋方向相反； 能级低 2.4 低温液体的性质 -氢 2.4 低温液体的性质 -氢 室温下 液氮温 度下 刚液化 液氢平 衡后 o-H 2 /% 75 51 25 0.2 p-H 2 /% 25 49 75 99.8 氢气中正仲氢比例随温度不同而不同，当温度降低时， 正氢会向仲氢转化。 2.4 低温液体的性质 -氢 氢气H 2 ? 3、氢液化装置中要用催化剂加速 正－仲氢转化 ①这种转换不是瞬间的，而是需要一定时 间； ②在转换过程中要释放出一定量的能量， 且放出的能量比液氢的汽化潜热要大。 返回 氦He ? 基本性质 ? 相图 ? HeII 的特殊现象 2.4 低温液体的性质 -氦 2.4 低温液体的性质 -氦 氦 He 1、基本性质 ? 无色无味、常压下沸点 4.214K、密度 124.8kg/m3；汽化潜热 20.9kJ/kg。 ? He有两种同位素， He3和 He4，He 中 He3含量 很少。 ? He是自然界中最难液化的气体 He最高的转化温度（即 P→ 0时）： 46K（He4 ）； 39K（ He3） 只有当 He温度低于转化温度时，节流才能产生冷效应。 2.4 低温液体的性质 -氦 氦 He 2、相图 ? 三个区： 蒸气区、液体区（液 氦 I和液氦 II区）、固态区； 没有固、液、气三相点 ? 第二类相变： 液氦有两种不同 的状态，HeI （常流体）和 HeII（超流体） 。两者之间的 分界线为λ线。 HeI和HeII 之 间的这种转变也称为第二类相 变。 ? λ线与蒸汽压曲线相交的点称 为 λ点 。该点温度是 HeII的最 高温度， 2.172K。即要达到 HeII 相，温度至少要降到 2.172K。 ? 常压下不能固化 氦He 3、HeII的特殊现象 ? 导热系数非常大，热阻很小； ? 超流体，粘度很小，衍生的现象： “喷泉现 象”“爬行膜 ” ? 第二声现象：由温度波或温度的局部振荡构 成。 λ点的第二声速为零；绝对零度时第二 声速达 239m/s。 对HeII特殊现象的一种解释是它由在 λ点处 的常流体 和 绝对零度时的超流体 组成。 2.4 低温液体的性质 -氦 2.4 低温液体的性质 -氦 图 2.20 液态HeII中的“ 爬行膜现象 ” 液氦的应用 ? 核磁共振中的液氦 ? 液氦用于阿尔法磁谱仪 (AMS)，用于在空间搜 寻 – 宇宙中的反碳核、反氦核及其他更重的反核来确 定宇宙中是否存在反物质； – 寻找宇宙中可能存在的暗物质。 ? AMS 01：于 1998年 6月 2~12日由美国发现号航天飞机 搭载，成功地进行了首次飞行。在距离地球高度 320~ 390 km的高空中，共飞行了 10天 ? AMS 02：将于 2005年送到国际空间站进行 3年的实 验， 430km高空 AMS 01：发现号 Altitude 320~390 km AMS 02 International Space Station AMS 02 ? 将 AMS-01的永久磁铁改为 超导磁铁 ，提高磁 场强度 , 从而提高粒子动量的测量范围和精确 度； ? 超流氦 冷却性能是其它方式 (斯特林制冷剂， 常流氦 )所无可比拟的。 ? 在过去的 航空 史上曾四次用到液氦。分别 是： – 1983 红外航空卫星（ IRAS） – 1989 宇宙探测器（COBE） – 1993 轨道上输送液氦试验（ SHOOT） – 1995 红外太空观测站（ ISO） ? 强磁场超导磁体的冷却 ： 1980年在 EUROTOM- CEA建造的等离子体物理实验用的新型托克马克装置 中的Nb-Ti （铌 -钛）超导磁体，用 1.8K温度的常压 HeII冷却，获得了 10T的磁场强度。 切尔诺贝利核电站4 号机组 用钢筋混凝土封起来的曾经发生 核泄露的切尔诺贝利核电站 4号机组 返回 ?位于乌克兰境内 ?1973年开始修建 ?1977年启用 ?1986年 4月 26日， 4号反应堆发生爆 炸， 8吨多强辐射 核燃料泄漏 ?2001年春天，乌 克兰关闭了切尔 诺贝利核电站的 最后一台机组 ?事故原因:设计缺 陷,实验程序考虑 不周,违反操作规 程,原苏联核电站 主管部门安全意 识淡漠.