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文档简介
在任何涉及到极低、极高温或大幅热振荡的应用设计阶段,必须考虑到温度对金属材料带来的影响。
冶金学可以研究金属在宽温度范围内的表现方式,以及特定的金属或组合是如何有助于减缓负面影响的。低温带来的难题
低温会导致金属的延展性(Ductile)丧失和脆化(Brittle),其临界点称为韧脆转变温度(DBTT)。
AlexandreFleurentin是冶金、热处理领域的专家,他解释道:在最终破裂之前,延展性材料首先变形,当负荷超过其屈服强度时,脆性材料更可能立即断裂。
随着温度降低,许多材料在DBTT点由延展性转变为脆性。显然,与变形相比,破碎更可能产生负面影响,并且在极低的温度条件下,钢材通常倾向于对冲击更加敏感,并且在突然冲击或弯曲的情况下存在破裂风险。该特性接近弹性并且在冲击试验下加以评估。
另一方面,较低的温度经常导致金属的机械拉伸强度增加,并且在断裂时延展率较低。为保持高机械强度并获得脆性更低的材料,通常首选镍和氮含量高的奥氏体不锈钢。高温甚至更为复杂
在极高温度条件下,会发生一些可逆现象,而其他则为永久性。出现可逆现象时,如果温度恢复到正常水平则恢复原来状态,包括暂时失去机械拉伸强度以及延展性变化。
出现永久性现象时,高温条件下发生的老化和热处理过程可能导致过度回火,进而致使抗疲劳性降低。因此,使用时的温度也应保持在钢材的退火或回火温度以下。
在不锈钢中,高温会导致保护性钝化层丧失或减少,因此在这种温度条件下,设计人员必须注意环境因素,例如湿度以及大气中的某些元素。“即使是对金属性能具有间接影响的流体也会受到影响,”Fleurentin提到,“例如,在高温时,一些润滑剂如二硫化钼会改变性能并完全丧失其润滑能力,从而导致后续问题。”蠕变和弛豫也具有热活化性
蠕变和弛豫的现象,通常存在有害影响,也可以在高温下活化。蠕变(a)是指,即使低于材料的屈服强度,材料由于持续的机械应力而缓慢且永久地变形。
弛豫(b)是指,即使最初负载在其屈服强度以下,当材料暴露于固定应变时,通过将部分弹性变形转变为塑性变形而释放应力。
即使在或变形超过材料的屈服强度之前,如果经受高温,也更容易发生金属的蠕变或弛豫。蠕变或弛豫的程度取决于应力的大小、温度以及暴露时间。对于某些轻合金和不锈钢,这些现象可以在大约200℃的温度条件下被激活,而有些轻合金、不锈钢则可在100℃以下被激活。为了满足真正具有挑战性的应用,设计人员可以选择使用镍基或钴基抗蠕变合金。请记住,蠕变和弛豫会在变形或应力消除方面永久性地改变零部件。
极端温度的另一个结果是,由于物理原因,材料与温度比例地膨胀或收缩。因此,当钢结构中的温度升高时,原子开始越来越振动。这种剧烈热振荡反过来导致原子间的距离增加,从而导致材料膨胀。
随着温度升高而发生的实际膨胀由线性热膨胀系数(CTE)加以说明,通常在20℃条件下为各种材料进行定义。这种现象通常在特定温度范围内保持恒定,例如0至
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