极端温度对金属材料的影响

在大约3500万年前陨石坠落到地球上时,产生了被认为是地球上最炙热的天然温度。科学家估计,这种地外影响致使温度达到2370°C,大约是太阳表面温度的一半。另一个极端是,1983年7月21日,在南极洲苏联东方站(Soviet Vostok Station)的地面上直接记录到的最低自然温度为-89.2°C。

降至“绝对零度”

虽然上一页提及的温度是自然发生的,但工业应用中的金属温度有时接近这些范围,从而导致出现重大难题。例如喷气发动机:温度可以达到900°C,而工业烤箱可以达到1200°C。在温度范围的另一个极端,低温可能涉及到暴露于-196°C或甚至低至-269°C的温度。回忆一下高中物理学的知识,这只是略高于“绝对零度”,-273°C是最低可能的温度 — 没有任何物质可以更冷,并且物质中没有热能。

因此,在为任何涉及极低温、或高温、或大幅热振荡的应用进行设备设计时,考虑这些温度对所采用金属的影响尤为重要。有许多可能涉及极端温度的螺栓连接和紧固应用,上一页表1中给出一些示例。

冶金学研究各种金属在宽温度范围内的表现方式,以及特定金属或金属组合如何有助于减缓可能的负面影响。因此,可以定制钢材和其他金属合金,以满足极端温度应用的要求。

低温带来的难题

低温带来的主要不利影响是延展性丧失(破裂前发生塑性变形的能力)和材料脆化,因为温度低于延脆性过渡温度或DBTT。

“在最终破裂之前,延性材料首先变形,”冶金、热处理和表面处理领域专家、法国Métallo Corner公司创始人Alexandre Fleurentin解释道,“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点从延性转变为脆性。显然,与变形相比,破碎更可能产生负面影响,并且在极低温度条件下,钢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的风险。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,并且在断裂时延伸率较低。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说,“例如,在高温时,一些润滑剂如二硫化钼(MoS2)会改变性能并完全丧失其润滑能力(MoS2变为MoS3 = 三硫化钼),从而可能出现问题”。

蠕变和驰豫也具有热活化性

蠕变和驰豫的现象,通常存在有害影响,也可以在高温下活化。蠕变是指,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。驰豫是指,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。

即使在负载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驰豫。蠕变或驰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°C的温度条件下被激活,而有些轻合金和不锈钢则可在100°C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,蠕变和驰豫会在变形或应力消除方面永久性地改变零部件。

热膨胀系数在很宽的温度范围内变化

极端温度的另一个结果是,由于物理原因,材料与温度成比例地膨胀或收缩。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°C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100°C。但是,Fleurentin先生说,“给定材料的CTE在很宽的极端温度范围内并不总是保持恒定的,因此通常每100°C更新一次。”

“除了CTE本身随温度变化这一事实之外,设计人员还必须考虑老化和材料特性在使用时间之内的变化。对于任何类型设备或螺栓和紧固解决方案而言,如果存在承受极端温度的情况,这两点因素都非常重要”。

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