极端温度对金属材料的影响

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）。

Alexandre Fleurentin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100℃。但是，Fleurentin先生指出：“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℃更新一次。”