超低溫合金（Cryogenic Alloy）

超低溫合金（Cryogenic Alloy）
臺北市立第一女子高級中學化學科何鎮揚老師/國立台灣師範大學化學系葉名倉教授責任編輯

一、超低溫材料的特殊要求
通常把常溫以下至熱力學零度的溫度範圍稱為低溫。針對不同的特定用途，同低溫領域的構造物，必須利用與之相適應的合金材料。

（1）防止低溫脆性
一般合金在低溫下強度會增加，但是延伸率、斷面收縮率、衝擊值（impact value）等都會下降，從而產生脆性破壞。例如，鐵素體鋼（ferrite）^註1呈體心立方結構，在溫度達到-200 ℃左右，就會出現韌性－脆性轉變，這是體心立方結構金屬的固有特性。添加鎳的材料，例如添加13 %的鎳，可以使其過渡溫度下降至液氦溫度（-269 ℃），即在液氦溫度以上不會出現低溫脆性。

防止低溫脆性的另一種方法是採用面心立方結構的金屬，例如鋁合金、奧氏體^註2系（austenite）不鏽鋼等。現代研究表明，1912年鐵達尼號豪華輪船在北海與冰山相撞後迅速沉投，就是由於那時候所用的鋼材中硫、磷含量高，在冰冷的海水中與冰山碰撞發生脆性斷裂所致。

（2）需要具備低溫下的熱性能
低溫材料在經歷低溫和室溫之間反復多次變化後容易發生熱變形。要防止這種現象，就要求低溫合金熱膨脹系數盡可能小。低溫下強度和韌性都較好的不鏽鋼、鋁合金的熱膨脹系數卻都較大，因此低膨脹合金，例如鐵鎳合金、鈦合金的開發研究受到關注。如果採用帶有磁性的合金，在材料中就會由於產生電磁力的作用，而造成對磁場的不良影響。奧氏體系不鏽鋼雖然屬於非磁性合金。但是其在低溫下不穩定，在超低溫反復冷卻循環中，會生成有磁性的馬氏體^註3（martensite）相，因而會產生磁性。

二、超低溫合金的研究
高錳奧氏體鋼是專門開發的超低溫合金。它即使在液氦溫度下也具有良好的強度和延伸率，而且熱膨脹係數特別小，但是機械加工性不佳，耐沖擊性也較差。

如果把鐵鎳鉻不鏽鋼中的鎳和鉻分別由錳和鋁代替，則可以製得鐵錳鋁新合金鋼，其強度、韌性都十分優異。在鐵錳鋁合金鋼中添加多量的錳，仍可以保持面心立方結構，還可以使得多量的鋁固溶；而在鐵錳鋁新合金中添加多量的鋁，可以增加奧氏體的強度和耐腐蝕性。對這種合金添加碳和矽也可以增加其強度。矽還有助於增加其耐腐蝕性，但是矽能強化鐵索體的形成，為了維持奧氏體，矽不能添加過多。由於錳、鋁密度都較小，所以合金也有密度小的特點，此外，鐵錳鋁新合金鋼在常溫下還有良好的加工性。據認為，這是一種在超低溫下強度、延伸率、耐沖擊值都大的，可能對低溫技術發展產生重要影響的優秀材料。

天然氣的沸點：-163 ℃；液氮：-195.8 ℃；液氫：-253 ℃；液氦：-269 ℃

註：

1.鐵素體（ferrite）：碳溶在 α-Fe立方晶格中的間隙固溶體，具有體心立方晶格，由於α-Fe體心晶格間隙較小，容納的C原子很少（僅0.02 ％），鐵素體成分上更接近純鐵。

2.奧氏體（austenite）：碳溶解在 γ-Fe中的間隙固溶體，它仍保持γ-Fe的面心力方體結構，晶界比較直，成規則多邊型，不具磁性，大於727 ℃高溫下才能穩定的存在的組織。

3.馬氏體（martensite）：晶體結構為體心四方結構，中高碳鋼中加速冷卻通常能夠獲得這種組織，是碳在α-Fe中的過飽和固溶體。