高低温性能

2．9．1 材料的高温性能

图2．29 具有张开型裂纹的试样

高压蒸汽锅炉、汽轮机、内燃机、航空航天发动机、炼油设备等机器设备中的一些构件是长期在较高温度下运行的。对这类构件仅考虑常温下的力学性能是不够的。一方面是因为温度对材料的力学性能指标影响较大，随着温度升高，强度、刚度、硬度下降，塑性增加；另一方面是在较高温度下，载荷的持续时间对力学性能也有影响，会产生明显的蠕变。故分析材料的高温力学性能十分重要。

（1）蠕变的定义

材料的蠕变是指在长时间的恒温、恒应力作用下，即使应力小于该温度下的屈服点，材料也会缓慢地产生塑性变形的现象。由于这种变形而最终导致材料的断裂称为蠕变断裂。

（2）蠕变变形与断裂的机理

材料的蠕变变形主要是通过位错滑移、原子扩散及晶界滑动等机理进行的；而蠕变断裂是由于在晶界上形成裂纹并逐渐扩展而引起的，大多为沿晶断裂。

（3）应力松弛

应力松弛是指承受弹性变形的零件，在工作中总变形量应保持不变，但随时间的延长而发生蠕变，从而导致工作应力自行逐渐衰减的现象。

（4）蠕变强度

蠕变强度是指金属在一定的温度下、一定的时间内产生一定变形量所能承受的最大应力。

（5）持久强度

持久强度是指金属在一定的温度下、一定的时间内所能承受的最大断裂应力。

2．9．2 材料的低温性能

体心立方金属及合金或某些密排晶体金属及其合金，尤其是工程上常用的中、低强度结构钢随温度的下降会出现脆性增加，严重时甚至发生脆断，这种现象就是材料的低温脆性。低温脆性对压力容器、桥梁和船舶结构以及在低温下服役的机件是非常重要的。

在冲击吸收功与温度的关系曲线上，材料由韧性状态转变为脆性状态的温度称为韧脆转变温度，以tk来表示，如图2．30所示。

图2．30 两种钢的温度－冲击吸收功关系曲线

韧脆转变温度是衡量材料韧脆转化倾向的重要指标。它也是材料的韧性指标，因为它反映了温度对韧脆性的影响。tk是从韧性角度选材的重要依据之一，可用于抗脆断设计，保证机件服役安全，但不能直接用来设计和计算机件的承载能力或截面尺寸。对于低温下服役的机件，依据材料的tk值，可以直接或间接地估计它们的最低使用温度。