金属如何“耐寒”
李湘洲 李南

①金属在低温下的性能与常温表现是不同的。在超低温状态下，敲打沉甸甸的铅条，会发出铜铃般的响声；水银冻得坚如钢铁；低碳钢的强度成倍提高……几乎所有的金属在超低温度下，强度都比它们在室温时要高出很多。
②但是，金属的“硬”和“脆”总是形影不离，在低温下金属的强度和硬度固然提高，可是韧性却大大降低了，也就是说，金属变“脆”了。人们把金属随着温度的降低韧性和塑性减小的现象称为“冷脆”。金属的冷脆断裂与常温下的脆性破坏状态基本相同，它往往在无明显的塑性变形时突然发生，断口平滑光亮，裂纹一般起源于金属组织中的缺陷或应力集中处，以很快的速度传播。它一旦发生，顷刻之间便会使整个结构崩溃。
③金属在低温下为什么会发生冷脆破坏？科学家研究发现，这同金属内部的晶体结构有密切关系。我们知道，金属和合金是由无数小晶体组成的，晶体又由原子按一定方式排列堆积而成。金属原子的堆积都遵循着某种特定的形式，有规律的重复排列。如果用一些假想线把它们连接起来，就成了一个个结晶格子，简称晶格。
④金属晶格通常有下列三种类型：体心立方晶格，立方体的八个顶角和中心各有一个原子，例如钨、钼、钠以及室温下的铁具有这种晶格；面心立方晶格，立方体的八个顶角和六个面的中心各有一个原子，铜、银、金、铝以及高温下的铁都属于这种组织；密排六方晶格，六棱体的十二个顶角各有一个原子，中心平面有三个原子，锌、镁、钛均属这一类型。
⑤在低温下发生冷脆主要是体心立方晶格的金属，其次是密排六方晶格的金属。它们随着温度的减低，强度指标（如屈服极限、强度极限）增加，塑性和韧性指标（如冲击韧性、延伸率）下降，显现脆的性质。与此相反，面心立方晶格的金属不会发生冷脆破坏，温度降低，强度指标有些增加，韧性和塑性指标不变或稍有提高。
⑥为什么不同晶格的金属会出现两种迥然不同的低温性能呢？这是由于不同晶格的原子数目和分布状态不同，晶面与晶面之间所显现的滑移阻力也有很大差异。面心晶格由于晶面原子比较多，原子滑移时遇到的阻力小，所以容易变形，因而韧性好。而体心和六方晶格的情况正好相反，它们晶面的原子少，排列稀疏，滑移阻力比较大，金属变形困难，因而表现脆的性质。
⑦除了微观晶体结构外，影响金属冷脆性的因素还有很多，可以分为外部因素和内部因素。外部因素包括工作温度、应力状态、载荷速度、工作介质等；内部因素有合金种类、成分、晶粒度和组织缺陷等等。
⑧通过对冷脆金属在不同温度下的试验，可以发现，温度越低，冷脆现象也愈严重。但是，这种变化却要达到某一温度才会明显加剧。无疑，这一“临界脆性转变温度”就成了研究和选择低温材料的依据。例如，为了保证冬季船舶在高纬度海洋航行安全，远洋轮的最低工作温度必须高于材料的临界脆性转变温度，这样可以避免冷脆破坏。
⑨钛合金是较理想的深度低温材料。它有三大优点：一是比强度（材料强度和比重的比值）高，在所有金属中首屈一指；二是强度随温度的降低而提高，而且能保持足够的韧性；三是在低温下对缺口的敏感性小，也就是说，不容易在有缺口的地方出现裂纹。另外，钛合金的导热性能差，膨胀系数小，适用于火箭、导弹的燃料贮箱中的高压容器和管道等低温构件。但是，钛容易被氧化，它和液态氧接触会发生反应引起燃烧、爆炸，所以钛不宜用来制造贮存氧的容器。
（选自《百科知识》2013年第6期）
20．大多数金属在超低温下性能会发生哪些变化？（2分）
21．怎样避免金属冷脆现象给安全生产带来的危害？（2分）
22．分析下列句子中加点词的表达效果。（4分）
（1）几乎所有的金属在超低温度下，强度都比它们在室温时要高出很多。
(2) 但是，金属的“硬”和“脆”总是形影不离。
23．下列说法中不符合文意的一项是（ ）（3分）
A．金属的冷脆断裂与常温下的脆性破坏状态大体相同。
B．体心和六方晶格晶面的原子少，排列稀疏，滑移阻力比较大，金属变形困难，因而表现脆
的性质。
C．面心立方晶格的金属随着温度的降低，强度指标、韧性和塑性指标必然有所提高。
D．金属和合金是由原子按一定方式排列堆积而成的无数小晶体组成的。
24. 从课文《伟大的悲剧》中我们了解到，上世纪初英国斯科特探险队远赴南极考察，最终全军覆没。据说其中一个非常重要的原因就是装液体燃料的容器的锡焊缝突然莫名其妙地“化开”了，造成燃料流失。你能运用文中的知识加以解释“锡焊缝突然莫名其妙地‘化开’”这一现象吗？（3分）

20.变得坚硬而又易脆。（满分2分，变硬1分，易脆1分。）
21.尽可能地选择理想的深度低温材料（最低工作环境温度必须高于材料的临界脆性转变温度，或者具体地回答具有三大优点的理想材料。)（2分）
22.（1）“几乎”表示差不多、接近的意思，在句中对“所有的金属”起限制作用，表明尽管绝大多数的金属，但还是极少数的金属在超低温度下，强度并比它们在室温时要高出很多，“几乎”一词的运用体现了说明文语言的准确性。（围绕语言准确性作答，满分2分。）（2）“形影不离”本意是指形体和它的影子那样分不开，在句中运用了打比方的说明方法，生动形象地表现了金属的“硬”和“脆”这两种性能总是同时具备。（围绕语言的生动性或说明方法作答，满分2分。）
23．C（韧性和塑性两项指标有可能不变）（3分）
24．当时，装液体燃料的容器受低温影响，在无明显的塑性变形时突然发生冷脆，裂纹起源于容器的锡焊缝，这是由于端口裂纹一般起源于金属组织中的缺陷或应力集中处，而且以很快的速度传播。它一旦发生，顷刻之间便会使整个结构崩溃。（如果仅仅抄写句子，得2分，能结合事件再得1分。）