低温是许多工业装备与材料最苛刻的服役环境之一。在航空航天、高铁、极地设备、液化天然气（LNG）管道、冷链运输、核电低温部件、深海探测、汽车北方冬季应用等领域，材料在-40℃、-100℃甚至-196℃（液氮温度）下会发生脆化、韧性骤降、收缩开裂、密封失效、冲击断裂等现象。低温试验（Low-Temperature Testing）正是通过实验室模拟或加速低温环境，对金属、非金属、复合材料、塑料、橡胶、密封件、涂料、电子元器件等进行耐寒性能、冲击韧性、低温力学行为、热收缩、脆性转变的系统评价，已成为材料选型、配方优化、工艺验证、生产质量控制、寿命预测、质量验收和失效分析中最核心的检测环节。无论是北极油气管道钢的低温冲击韧性、汽车橡胶密封件的低温压缩永久变形，还是航空铝合金的低温疲劳，专业低温试验数据都是材料在极寒工况下可靠性的最终判据。
低温试验概述
低温试验是指在规定低温（通常-20℃以下，甚至达-269℃液氦温度）下，对材料或制品进行恒温暴露、低温力学加载或环境耦合的测试，以评估其耐低温性能、脆性转变温度、韧性保留率及低温稳定性。主要试验类型包括：
- 低温冲击试验：夏比V型/U型缺口冲击
- 低温力学性能：低温拉伸、低温压缩、低温弯曲、低温疲劳
- 低温脆性与韧脆转变：杜哈梅冲击、落锤试验、脆性转变温度（DBTT）
- 低温老化与耐寒性：低温收缩、低温硬化、低温弹性恢复
- 低温热循环与热冲击：低温-高温循环、快速冷冲击
- 耦合环境试验：低温+湿度、低温+振动、低温+腐蚀介质
常见低温试验项目及原理
低温冲击试验
原理：在-20℃、-40℃、-60℃、-100℃甚至-196℃下进行夏比摆锤冲击，测定冲击吸收功（KV2/KU2），评估材料韧脆转变温度（DBTT）和低温韧性保留率。
低温拉伸/压缩试验
在低温环境箱或液氮冷却夹具中进行拉伸/压缩，测定低温屈服强度、抗拉强度、模量、伸长率，评估脆性增加与延性损失。
低温压缩永久变形
橡胶/弹性体在低温下压缩固定，暴露后恢复，测定永久变形率，评估密封件低温弹性恢复能力。
低温热收缩与尺寸稳定性
加热后冷却或直接低温暴露，测定长度/体积收缩率，评估塑料/橡胶低温收缩开裂风险。
低温热循环与热冲击
快速切换低温-室温/高温，评估热应力引起的开裂、脱层、分层、界面失效。
应用领域
- 航空航天：铝合金、钛合金、复合材料在-196℃下的冲击韧性与疲劳
- 极地/深海装备：钢材、橡胶密封件的低温脆性与耐寒性
- 汽车北方冬季：橡胶密封条、塑料内饰的低温压缩永久变形、耐冲击
- LNG/液氢储运：低温管道钢、低温阀门材料的冲击与拉伸性能
- 核电低温部件：低温压力容器钢的韧脆转变温度（DBTT）
- 失效分析：低温断裂、脆性开裂、密封失效、收缩变形事故的根因判定
相关检测标准
主流国内外标准：
- GB/T 229《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》
- GB/T 2039《金属材料 单轴拉伸蠕变试验方法》（低温扩展）
- GB/T 1040《塑料 拉伸性能的测定》（低温条件）
- GB/T 7758《硫化橡胶或热塑性橡胶 压缩永久变形的测定》（低温版）
- GB/T 1685《硫化橡胶或热塑性橡胶 低温脆性试验方法》
- ISO 148-1《Metallic materials — Charpy pendulum impact test》
- ISO 6892-3《Metallic materials — Tensile testing — Part 3: Method of test at low temperature》
- ASTM E23《Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials》
- ASTM D746《Standard Test Method for Brittleness Temperature of Plastics and Elastomers by Impact》
- ASTM D2137《Standard Test Methods for Rubber Property – Brittleness Point of Flexible Polymers and Coated Fabrics》
- ISO 812《Rubber, vulcanized or thermoplastic — Determination of low-temperature brittleness》
典型低温试验流程（以低温夏比冲击为例）
步骤：
- 样品准备：加工标准V型/U型缺口试样，测量尺寸
- 低温环境准备：低温箱或液氮冷却至规定温度（-20℃、-40℃、-60℃、-100℃、-196℃），保温均匀
- 样品冷却：试样置于低温介质中保温规定时间（通常10–30min），确保芯部温度均匀
- 快速转移与冲击：从低温介质取出后5s内完成冲击试验
- 数据记录：冲击吸收功、断口形貌（纤维状/解理状）
- 多温度测试：绘制韧脆转变曲线，确定DBTT（韧脆转变温度）
- 报告：附冲击功-温度曲线、断口照片、低温条件、符合性判定
常见问题与注意事项
- 冷却不均匀：试样芯部温度未达标，导致冲击功偏高
- 转移时间超标：低温样品升温过快，韧性恢复，数据失真
- 缺口加工粗糙：影响冲击功精度，需严格控制缺口根部半径
- 低温拉伸夹持滑移：材料低温脆化，需专用低温夹具与润滑
- 低温脆性判断主观性：断口形貌需多人复核或SEM分析
- 标准选择：金属用GB/T 229、塑料用ASTM D746、橡胶用ISO 812、汽车密封件用GB/T 7758低温版
- 安全防护：液氮操作需防护手套、面罩、通风，避免冻伤与窒息
总结
低温试验是材料在极寒环境下的“韧性体检”，它将低温脆化、冲击韧性保留、低温力学行为、热收缩等关键指标量化验证。通过规范样品冷却、快速转移、严格执行GB/T 229、ISO 148、ASTM E23、ASTM D746等标准，并结合低温冲击、拉伸、压缩、老化等多项测试，可以有效识别材料低温脆断、韧性骤降、密封失效、收缩开裂等问题，确保金属、塑料、橡胶、复合材料在航空、极地、LNG、汽车冬季、核电等低温工况下的可靠性和安全性。无论是北极管道钢还是航天低温橡胶，专业低温试验都是材料耐寒极限与安全裕度的铁门槛。
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