溫度對金屬材料的影響

 在任何涉及到極低、高溫或大幅熱振蕩的應(yīng)用設(shè)計階段，必須考慮到溫度對金屬材料帶來的影響。

      冶金學可以研究金屬在寬溫度范圍內(nèi)的表現(xiàn)方式，以及特定的金屬或組合是如何有助于減緩負面影響的。低溫帶來的難題     

低溫會導(dǎo)致金屬的延展性（Ductile）喪失和脆化（Brittle），其臨界點稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度（DBTT）。     

 Alexandre Fleurentin是冶金、熱處理領(lǐng)域的專家，他解釋道：在最終破裂之前，延展性材料首先變形，當負荷超過其屈服強度時，脆性材料更可能立即斷裂。      隨著溫度降低，許多材料在DBTT點由延展性轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈?。顯然，與變形相比，破碎更可能產(chǎn)生負面影響，并且在極低的溫度條件下，鋼材通常傾向于對沖擊更加敏感，并且在突然沖擊或彎曲的情況下存在破裂風險。該特性接近彈性并且在沖擊試驗下加以評估。     

另一方面，較低的溫度經(jīng)常導(dǎo)致金屬的機械拉伸強度增加，并且在斷裂時延展率較低。為保持高機械強度并獲得脆性更低的材料，通常選鎳和氮含量高的奧氏體不銹鋼。高溫甚至更為復(fù)雜     

在溫度條件下，會發(fā)生一些可逆現(xiàn)象。出現(xiàn)可逆現(xiàn)象時，如果溫度恢復(fù)到正常水平則恢復(fù)原來狀態(tài)，包括暫時失去機械拉伸強度以及延展性變化。     

高溫條件下發(fā)生的老化和熱處理過程可能導(dǎo)致過度回火，進而致使抗疲勞性降低。因此，使用時的溫度也應(yīng)保持在鋼材的退火或回火溫度以下。     

在不銹鋼中，高溫會導(dǎo)致保護性鈍化層喪失或減少，因此在這種溫度條件下，設(shè)計人員必須注意環(huán)境因素，例如濕度以及大氣中的某些元素。“即使是對金屬性能具有間接影響的流體也會受到影響，"Fleurentin提到，“例如，在高溫時，一些潤滑劑如二硫化鉬會改變性能并喪失其潤滑能力，從而導(dǎo)致后續(xù)問題。"蠕變和弛豫也具有熱活化性     

蠕變和弛豫的現(xiàn)象，通常存在有害影響，也可以在高溫下活化。蠕變（a）是指，即使低于材料的屈服強度，材料由于持續(xù)的機械應(yīng)力而緩慢且變形。     

弛豫（b）是指，即使最初負載在其屈服強度以下，當材料暴露于固定應(yīng)變時，通過將部分彈性變形轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃味尫艖?yīng)力。     

即使在或變形超過材料的屈服強度之前，如果經(jīng)受高溫，也更容易發(fā)生金屬的蠕變或弛豫。蠕變或弛豫的程度取決于應(yīng)力的大小、溫度以及暴露時間。對于某些輕合金和不銹鋼，這些現(xiàn)象可以在大約200℃的溫度條件下被激活，而有些輕合金、不銹鋼則可在100℃以下被激活。為了滿足真正具有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用，設(shè)計人員可以選擇使用鎳基或鈷基抗蠕變合金。請記住，蠕變和弛豫會在變形或應(yīng)力消除方面性地改變零部件。     

溫度的另一個結(jié)果是，由于物理原因，材料與溫度比例地膨脹或收縮。因此，當鋼結(jié)構(gòu)中的溫度升高時，原子開始越來越振動。這種劇烈熱振蕩反過來導(dǎo)致原子間的距離增加，從而導(dǎo)致材料膨脹。     

隨著溫度升高而發(fā)生的實際膨脹由線性熱膨脹系數(shù)（CTE）加以說明，通常在20℃條件下為各種材料進行定義。這種現(xiàn)象通常在特定溫度范圍內(nèi)保持恒定，例如0至100℃。但是，Fleurentin先生指出：“給定材料的CTE在很寬的溫度范圍內(nèi)并不總是保持恒定的，因此通常每100℃更新一次。"