镁合金因低密度、高比强度在航空航天（如低温燃料贮箱）、轨道交通等领域有重要应用，但低温（≤-40℃）环境下，其密排六方晶体结构导致滑移系受限，测试屈服强度时易发生脆性断裂，不仅影响测量准确性，还可能损坏设备。因此，系统掌握低温下镁合金屈服强度测试的脆性断裂预防策略，对保障材料性能评估的可靠性至关重要。
低温环境对镁合金力学性能的影响机制
镁合金的晶体结构为密排六方（HCP），常温下主要依赖基面（0001）滑移，非基面滑移（如棱柱面、pyramidal面）需更高切应力才能激活。当温度降至-40℃以下时，原子热运动减弱，非基面滑移的临界切应力显著升高，导致塑性变形能力急剧下降——常温下镁合金的延伸率可达10%~20%，而-196℃时可能降至2%以下。
这种塑性退化直接引发断裂模式的转变：常温下以韧窝型韧性断裂为主，低温下则变为解理断裂或沿晶断裂（尤其当材料含晶界析出相时）。解理断裂由原子键直接断开导致，无明显塑性变形，易在测试中突然发生，导致屈服强度测量值偏低（因未充分记录塑性变形过程）。
试样制备的优化策略
试样表面缺陷是低温下脆性断裂的主要裂纹源，因此需严格控制表面质量。机械抛光应采用逐步细化的砂纸（从180#到2000#），最终用金刚石研磨膏抛光至表面粗糙度Ra≤0.2μm；若试样表面有划痕或刀痕，需通过电解抛光进一步去除——电解抛光可消除机械抛光引入的表面残余应力，避免应力集中引发的早断裂。
试样形状需避免尖锐棱角：标准圆棒试样的过渡圆弧半径应≥3mm（参考GB/T 228.1-2010），平板试样的边缘需倒圆角（半径≥1mm）。尖锐棱角会导致局部应力集中，低温下应力集中系数（Kt）可高达3~5，远高于常温下的1.5~2，易引发裂纹萌生。
试样尺寸需符合“尺寸效应”要求：圆棒试样的直径应≥6mm（避免小尺寸导致的塑性约束增强），平行段长度为直径的4~5倍（保证均匀变形）。若试样尺寸过小，低温下的塑性变形更难均匀分布，易在平行段外的区域断裂。
测试设备的温度控制要点
低温箱的温度均匀性是关键：测试区域的温度波动需控制在±1℃以内（ASTM E1465-2020标准要求）。液氮冷却型低温箱的降温速度快（可在30min内从常温降至-196℃），但易出现局部温度梯度（如试样顶端与底端温差达5℃）；压缩机制冷型低温箱的温度均匀性更好（温差≤1℃），但降温速度慢（需2~3h降至-100℃），需根据测试温度范围选择——若测试温度≥-80℃，优先选压缩机制冷；若需-196℃的深低温，需采用液氮+搅拌装置的组合，通过风扇搅拌箱内空气，降低温度梯度。
夹具与试样的热接触需优化：夹具材料应选用导热系数高的金属（如铜合金，导热系数≥380W/(m·K)），避免不锈钢（导热系数仅15W/(m·K)）导致的局部温差。测试前需将夹具与试样一起预冷30~60min，确保两者温度一致——若夹具未预冷，试样与夹具接触部位会因热传导快速升温，形成“热应力”（温差导致的热膨胀差），引发局部塑性变形或裂纹。
加载速率的合理选择
低温下镁合金的应变率敏感性（m值）显著升高：常温下m值约0.01~0.05，-100℃时可升至0.1~0.2。应变率敏感性高意味着加载速率越快，塑性变形越难激活——当加载速率超过0.1s⁻¹时，位错来不及沿基面滑移，直接发生解理断裂；而准静态加载（速率0.001~0.01s⁻¹）可给位错足够时间“攀移”或“交滑移”，激活非基面滑移，提高塑性变形能力。
加载速率需严格遵循标准：GB/T 228.1-2010规定，金属材料拉伸测试的屈服阶段加载速率应≤0.002s⁻¹，强化阶段≤0.02s⁻¹；ASTM E8/E8M-2021要求，屈服强度测试的加载速率应控制在0.0002~0.002s⁻¹。若测试中需测量下屈服强度，加载速率需更低（≤0.001s⁻¹），避免“屈服平台”消失（加载太快会导致塑性变形来不及发展，无明显下屈服点）。
环境介质的隔离措施
低温环境下的“冷凝水问题”需重点防范：当试样温度低于环境露点（通常为10~25℃）时，表面会结露，水会渗入表面划痕或晶界，引发“应力腐蚀开裂（SCC）”——水与镁反应生成Mg(OH)₂，体积膨胀（膨胀率约140%），导致局部应力升高，加速裂纹扩展。预防方法包括：（1）将低温箱内的相对湿度控制在30%以下（通过内置除湿机或通入干燥氮气）；（2）用惰性气体（氩气）吹扫试样表面，形成“气体保护罩”，阻止空气中的水分接触试样。
氧气的影响需关注：虽然低温下镁的氧化速率远低于常温（-100℃时氧化速率仅为常温的1/100），但长期测试（≥2h）仍可能在试样表面形成氧化膜（MgO）。氧化膜的脆性大，易开裂并引发应力集中，因此需采用真空环境（真空度≥10⁻³Pa）或惰性气体保护——真空环境还可消除“气体阻尼”（空气阻力导致的加载速率波动），提高测试准确性。
断裂失效的实时监测技术
应变片是最常用的变形监测工具：需选用低温型应变片（工作温度≥-200℃），粘贴时用低温环氧树脂（如EPON 828+Jeffamine D230），并在粘贴后进行热循环老化（从常温到测试温度循环3次），避免低温下胶层开裂。通过应变片可实时监测试样的“均匀变形阶段”——当应变率突然增加（超过设定速率的2倍），说明试样开始出现局部颈缩或裂纹，需立即降低加载速率或停止测试。
声发射（AE）技术可检测裂纹萌生信号：声发射传感器需选用低温兼容型（如压电陶瓷传感器，工作温度≥-196℃），固定在试样平行段两端。当试样内部出现裂纹萌生（裂纹长度≥10μm），会释放弹性波，声发射计数率（每分钟的信号次数）会从“背景噪声”（≤5次/分钟）突然升至≥50次/分钟。通过AE信号可提前预警裂纹，避免试样完全断裂——若测试目的是测量屈服强度（而非断裂强度），可在AE计数率突变时停止加载，记录此时的应力值作为屈服强度。
高速摄像机可记录断裂过程：需选用帧率≥1000fps的高速相机，配合低温箱的光学窗口（如石英玻璃），拍摄试样的变形和裂纹扩展过程。通过高速图像可分析裂纹的萌生位置（如是否在试样表面划痕处）、扩展方向（如是否沿晶界），为后续优化试样制备提供依据——例如，若裂纹总是在试样边缘的划痕处萌生，说明表面抛光不够彻底，需进一步提高表面光洁度。