金属材料的高温强度[专业知识]
金属材料的高温强度
金属材料的高温强度高温强度是指材料在高温环境下的抗变形和抗破坏能力。
在高温条件下，金属材料容易发生晶粒长大、材料软化、塑性减小等现象，导致强度下降。
因此，提高金属材料的高温强度对于许多工业领域来说至关重要。
要提高金属材料的高温强度，可以通过合理的合金设计来实现。
将适当的合金元素添加到基础金属中，可以改变材料的晶体结构和相变温度，从而提高材料的高温强度。
例如，镍基合金中添加铬和钼等元素，可以增加晶粒的形核和生长难度，进而提高材料的高温强度和抗蠕变性能。
通过调整材料的热处理工艺，也可以显著提高金属材料的高温强度。
热处理是指将金属材料加热到一定温度，并在特定条件下进行冷却和时效处理的过程。
合理的热处理可以改变材料的组织结构，提高晶界的稳定性和晶粒的细化程度，从而提高材料的高温强度。
例如，通过快速冷却可以得到细小的晶粒和均匀的组织结构，从而提高材料的高温强度和耐蠕变性能。
表面涂层技术也是提高金属材料高温强度的重要手段之一。
通过在金属材料表面形成一层耐高温、抗氧化和耐腐蚀的涂层，可以有效地提高材料的高温强度和耐热性能。
例如，采用化学气相沉积技术在钢材表面形成一层氮化物涂层，可以显著提高钢材的高温强度和耐腐蚀性能。
纳米材料技术也可以用于提高金属材料的高温强度。
纳米材料具有良好的尺寸效应和界面效应，其晶粒尺寸通常在纳米尺度范围内。
由于晶粒尺寸的减小，纳米材料具有较高的晶界密度和晶界强化效应，从而具有优异的高温强度和抗蠕变性能。
例如，纳米晶钢材具有优异的高温强度和耐热性能，广泛应用于航空航天、能源和汽车等领域。
提高金属材料的高温强度是一个综合性的工程问题，需要从合金设计、热处理工艺、表面涂层技术和纳米材料技术等方面入手。
通过合理的材料设计和工艺控制，可以显著提高金属材料的高温强度和耐热性能，满足不同工业领域对高温材料的需求，推动相关领域的发展和进步。
金属材料刚度,强度及钢板知识
金属材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力称为强度。
按外力作用的性质不同，主要有屈服强度、抗拉强度、抗压强度、抗弯强度等，工程常用的是屈服强度和抗拉强度，这两个强度指标可通过拉伸试验测出强度是指零件承受载荷后抵抗发生断裂或超过容许限度的残余变形的能力。
也就是说，强度是衡量零件本身承载能力（即抵抗失效能力）的重要指标。
强度是机械零部件首先应满足的基本要求。
机械零件的强度一般可以分为静强度、疲劳强度（弯曲疲劳和接触疲劳等）、断裂强度、冲击强度、高温和低温强度、在腐蚀条件下的强度和蠕变、胶合强度等项目。
强度的试验研究是综合性的研究，主要是通过其应力状态来研究零部件的受力状况以及预测破坏失效的条件和时机。
强度是指材料承受外力而不被破坏(不可恢复的变形也属被破坏)的能力.根据受力种类的不同分为以下几种:(1)抗压强度--材料承受压力的能力.(2)抗拉强度--材料承受拉力的能力.(3)抗弯强度--材料对致弯外力的承受能力.(4)抗剪强度--材料承受剪切力的能力.材料局部抵抗硬物压入其表面的能力称为硬度。
早在1822年，Friedrich mohs提出用10种矿物来衡量世界上最硬的和最软的物体，这是所谓的摩氏硬度计。
按照他们的软硬程度分为十级：1）滑石2）石膏3）方解石4）萤石5）磷灰石6）正长石7）石英8）黄玉9）刚玉10）金刚石试验钢铁硬度的最普通方法是用锉刀在工件边缘上锉擦,由其表面所呈现的擦痕深浅以判定其硬度的高低。
这种方法称为锉试法这种方法不太科学。
用硬度试验机来试验比较准确,是现代试验硬度常用的方法。
常用的硬度测定方法有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等测试方法硬度是衡量金属材料软硬程度的一项重要的性能指标，它既可理解为是材料抵抗弹性变形、塑性变形或破坏的能力，也可表述为材料抵抗残余变形和反破坏的能力。
硬度不是一个简单的物理概念，而是材料弹性、塑性、强度和韧性等力学性能的综合指标。
硬度试验根据其测试方法的不同可分为静压法（如布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等）、划痕法（如莫氏硬度）、回跳法（如肖氏硬度）及显微硬度、高温硬度等多种方法。
金属材料高温拉伸试验的不确定度评定
金属材料高温拉伸试验的不确定度评定曹艳伟; 王俊【期刊名称】《《理化检验-物理分册》》【年(卷),期】2019(055)010【总页数】5页(P703-707)【关键词】高温拉伸; 不确定度; 温度波动; 评定方法【作者】曹艳伟; 王俊【作者单位】南山集团有限公司龙口 265700【正文语种】中文【中图分类】TG113.25随着社会的发展和科技的进步，各行业实验室检测/校准的水平得到了显著的提高，客户对检测/校准结果的可靠性要求也越来越高，经常要求在提供结果的同时给出其不确定度[1]。
因此，实验室认可准则和相关标准对检测结果的不确定度评定和应用都提出了更高的要求[2]。
作为结构材料常规检测项目，金属材料的力学性能检测通常需要提供满足实验室认可准则要求的不确定度评定结果。
关于金属力学性能检测不确定度评定的研究报道很多，但多集中于室温拉伸试验及硬度试验[3-9]。
GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》对室温拉伸试验的不确定度评定有比较详细的规定。
而GB/T 228.2-2015《金属材料拉伸试验第2部分：高温试验方法》中关于金属材料高温拉伸试验结果不确定度评定的规定则比较模糊，相关研究工作更是鲜有报道。
相对于金属材料常温拉伸试验，高温拉伸试验过程中的温度波动必然会引入新的测量不确定度，增加评定过程的复杂性。
笔者参照常温拉伸试验的不确定度评定过程，提出了通过力值测量温度波动引入的不确定度的处理方法，较好地实现了高温拉伸试验不确定度的评定。
1 高温拉伸试验1.1 试样制备与试验方法试验材料为W-7Cu合金，其标准性能见表1，按照GB/T 228.2-2015截取直径10 mm，标距50 mm的螺纹卡头试样。
使用Instron5569型电子万能材料试验机、merlin自动测试软件系统进行拉伸试验，试验温度为400 ℃。
试验机精度为0.5级，示值误差为±0.5%，数值显示为0.01 N。
金属材料及热处理的基本知识
金属材料及热处理的基本知识金属热处理是将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定时间后，又以不同速度冷却的一种工艺。
金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其它加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。
其特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的。
为使金属工件具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能，除合理选用材料和各种成形工艺外，热处理工艺往往是必不可少的。
钢铁是机械工业中应用最广的材料，钢铁显微组织复杂，可以通过热处理予以控制，所以钢铁的热处理是金属热处理的主要内容。
另外，铝、铜、镁、钛等及其合金也都可以通过热处理改变其力学、物理和化学性能，以获得不同的使用性能。
在从石器时代进展到铜器时代和铁器时代的过程中，热处理的作用逐渐为人们所认识。
早在公元前770～前222年，中国人在生产实践中就已发现，铜铁的性能会因温度和加压变形的影响而变化。
白口铸铁的柔化处理就是制造农具的重要工艺。
公元前六世纪，钢铁兵器逐渐被采用，为了提高钢的硬度，淬火工艺遂得到迅速发展。
中国河北省易县燕下都出土的两把剑和一把戟，其显微组织中都有马氏体存在，说明是经过淬火的。
随着淬火技术的发展，人们逐渐发现淬冷剂对淬火质量的影响。
三国蜀人蒲元曾在今陕西斜谷为诸葛亮打制3000把刀，相传是派人到成都取水淬火的。
这说明中国在古代就注意到不同水质的冷却能力了，同时也注意了油和尿的冷却能力。
中国出土的西汉(公元前206～公元24)中山靖王墓中的宝剑,心部含碳量为0.15～0.4%，而表面含碳量却达0.6%以上，说明已应用了渗碳工艺。
但当时作为个人“手艺”的秘密，不肯外传，因而发展很慢。
1863年，英国金相学家和地质学家展示了钢铁在显微镜下的六种不同的金相组织，证明了钢在加热和冷却时，内部会发生组织改变，钢中高温时的相在急冷时转变为一种较硬的相。
金属材料知识
金属材料知识概述承压设备制造是国民经济的基础产业，各种生产工艺的要求各不尽相同，如：压力从真空到高压甚至超高压、温度从低温到高温以及腐蚀性、易燃、易爆物料等，使得设备处在极其复杂的操作条件下运行。
由于不同的生产条件对设备材料有不同的要求，因此，合理的选用材料是设计承压设备的关键环节。
例如：对于高温容器，由于钢材在高温的长期作用下，材料的力学性能和金属组织都会发生明显的变化，加之承受一定的工作压力，因此在选材时必须考虑到材料的强度及高温条件下组织的稳定性。
容器内部盛装的介质大多具有一定的腐蚀性，因此需要考虑材料的耐腐蚀情况。
对于频繁开、停车的设备或可能受到冲击载荷作用的设备，还要考虑材料的疲劳等。
而低温条件下操作的设备，则需要考虑材料低温下的脆性断裂问题。
一、金属材料的分类二、金属材料的性能三、影响材料性能的因素四、特种设备对材料的要求五、特种设备常用材料标准一、金属材料分类黑色金属：铁和铁的合金均称为黑色金属纯铁：化学纯铁含碳量几乎为零，工业纯铁含碳量<0.05%。
纯铁是很软的，一般不应用到实际中。
铁碳合金：以铁为基础，以碳为主要添加元素的合金，统称为铁碳合金。
生铁：把铁矿石放到高炉中冶炼而成的，含碳量2％～4.3％（也有资料称3.5%—5.5%、2.11%-6.67%）的铁碳合金称为生铁。
生铁质硬而脆，缺乏韧性，几乎没有塑性变形能力，因此不能通过锻造、轧制、拉拔等方法加工成形，主要用来炼钢和制造铸件，如白口铁、灰口铁和球墨铸铁。
也有习惯上把炼钢生铁叫做生铁，把铸造生铁简称为铸铁。
钢：含碳量在0.04%-2.3%之间（也有资料称0.03%-1.2%）的铁碳合金称为钢。
为了保证其韧性和塑性，含碳量一般不超过1.7%。
钢的主要元素除铁、碳外，还有硅、锰、硫、磷等。
有色金属：除黑色金属外的金属和合金，如铜、锡、铅、锌、铝等。
金属材料分类（钢材）1、按化学成分分类：①碳素钢：简称碳钢。
除铁、碳外主要含有少量Si、Mn及P、S等杂质，这些总含量不超过2%，按含碳量不同分为：低碳钢——含碳量小于0.25%中碳钢——含碳量等于0.25%～0.6%高碳钢——含碳量大于0.6%②合金钢：除碳钢所含元素外，还含有其它一些合金元素：如Cr、Ni、Mo、W、V、B等，按合金元素含量不同分类：低合金钢——合金元素含量小于5%中合金钢——合金元素含量等于5%～10%高合金钢——合金元素含量大于10%金属材料分类（钢材）2、按用途分类：①建筑工程用钢或构件用钢①普通碳素结构钢②低合金结构钢③钢筋用钢等②结构钢机器零件用钢调质结构钢表面硬化结构钢：包括渗碳钢、渗氨钢、表面淬火用钢易切削结构钢冷塑性成形用钢：包括冷冲压用钢、冷镦用钢。
金属材料的高温强度
2. 蠕 变
金属在一定温度、一定应力（即使小于σs） 作用下，随着时间的增加而缓慢连续产生 塑性变形的现象称为蠕变。
蠕变在温度较低时也会发生，但只有在温度高 于0.3Tf（熔点温度）时才比较明显。
引起材料蠕变的应力状态可以是简单的（例如单向 拉伸、压缩、弯曲），也可能是复杂的；可以是静 态的，也可能是动态的。
屈服强度前： 0.1%~0.3%/min 屈服点前：（0.5±0.2）%/min 屈服点后：（5±1）%/min 屈服强度前： （0.1~0.3）%/min 屈服点或屈服强度附近： （0.1~0.5）%/min 屈服强度后：（0.5~1.0）%/min
屈服点前：<5MPa/s
（0.04~0.1）l0/min 不大于80MPa/min
1.金属材料在高温下的力学行为特点
由于高温下原子扩散能力的增大，材料中空位数 量的增多以及晶界滑移系的改变或增加，使得材 料的高温强度与室温强度有很大的不同。
考虑材料的高温强度时，除了温度与力学这二个最基 本的因素之外，还必须考虑时间及介质因素的影响。
在高温条件下材料的变形机制增多，易发生塑性 变形，表现为强度降低，形变强化现象减弱，塑 性变形增加。
同一种金属材料蠕变曲线的形状也随应力和温度不同而不同
但一般而言，各种蠕变曲线差不多都保持着上述三个组成部分，只是各阶段持续时 间长短不一 – 左图表示了温度不变时应力对蠕变曲线的影响， – 右图表示了应力不变时温度对蠕变曲线的影响。 – 由图可见，应力较小或温度较低时，蠕变第二阶段即稳定蠕变阶段延续很长。 反之则第二阶段可能很短甚至消失。这时蠕变只有第一阶段和第三阶段，材 料将在短时间内断裂。
Mott式：
.
Aexp(Q/RT)
金属材料强度与温度的关系
金属材料的高温强度
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2.2.1在给定温度或应力下蠕变与时间的关系
Bailey提出适用于第一阶段的公式
Atn
（1/3≤n＜1/2 ）
………（1）
Mevetly提出适用于第一及第二阶段的公式
B(1 ect ) Ft
………（2）
第二阶段为线性关系，上两式中的A、B、C、F均 为实验待定常数，ε为应变，t为时间。
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金属材料的高温强度
2. 蠕
变
金属在一定温度、一定应力（即使小于ζs） 作用下，随着时间的增加而缓慢连续产生 塑性变形的现象称为蠕变。
蠕变在温度较低时也会发生，但只有在温度高
于0.3Tf（熔点温度）时才比较明显。
引起材料蠕变的应力状态可以是简单的（例如单向 拉伸、压缩、弯曲），也可能是复杂的；可以是静 态的，也可能是动态的。
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金属材料的高温强度
2.1蠕变曲线的定性分析
蠕变是材料力学性能之一，材料抗蠕变的能力是蠕变强度， 用蠕变极限表示。 材料抗蠕变断裂的能力用持久强度表示。
蠕变极限与持久强度用试验测定，测定出的蠕变曲线可能是恒应 力状态，也可能是恒温度状态曲线。 无论何种，典型的蠕变曲线都可以分为三个阶段，
T p : 0.002m m
金属材料的高温强度
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材料在高温条件下，承受不同的载荷，其断裂所需的时间也不同。
不但断裂所需的时间随着承受的应力增加而缩短，而且断裂的形式也会 发生改变。
晶界强度与晶粒强度随温度增加而下降的趋势不同，在其交点 对应温度TS（称为等强温度）以上，材料由穿晶断裂变为沿晶 断裂。 形变速度愈低则TS愈低
金属材料知识大全,收藏!
金属材料知识大全，收藏！概述金属材料是指金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。
包括纯金属、合金、金属材料金属间化合物和特种金属材料等。
（注：金属氧化物（如氧化铝）不属于金属材料。
）”Vol.1意义人类文明的发展和社会的进步同金属材料关系十分密切。
继石器时代之后出现的铜器时代、铁器时代，均以金属材料的应用为其时代的显著标志。
现代，种类繁多的金属材料已成为人类社会发展的重要物质基础。
Vol.2种类金属材料通常分为黑色金属、有色金属和特种金属材料。
（1）黑色金属，又称钢铁材料，包括含铁90%以上的工业纯铁，含碳2%-4%的铸铁，含碳小于2%的碳钢，以及各种用途的结构钢、不锈钢、耐热钢、高温合金、不锈钢、精密合金等。
广义的黑色金属还包括铬、锰及其合金。
（2）有色金属，是指除铁、铬、锰以外的所有金属及其合金，通常分为轻金属、重金属、贵金属、半金属、稀有金属和稀土金属等。
有色合金的强度和硬度一般比纯金属高，并且电阻大、电阻温度系数小。
（3）特种金属材料，包括不同用途的结构金属材料和功能金属材料。
其中有通过快速冷凝工艺获得的非晶态金属材料，以及准晶、微晶、纳米晶金属材料等；还有隐身、抗氢、超导、形状记忆、耐磨、减振阻尼等特殊功能合金以及金属基复合材料等。
Vol.3性能一般分为工艺性能和使用性能两类。
所谓工艺性能是指机械零件在加工制造过程中，金属材料在所定的冷、热加工条件下表现出来的性能。
金属材料工艺性能的好坏，决定了它在制造过程中加工成形的适应能力。
由于加工条件不同，要求的工艺性能也就不同，如铸造性能、可焊性、可锻性、热处理性能、切削加工性等。
所谓使用性能是指机械零件在使用条件下，金属材料表现出来的性能，它包括力学性能、物理性能、化学性能等。
金属材料使用性能的好坏，决定了它的使用范围与使用寿命。
在机械制造业中，一般机械零件都是在常温、常压和非常强烈腐蚀性介质中使用的，且在使用过程中各机械零件都将承受不同载荷的作用。
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在高温条件下材料的变形机制增多，易发生塑性 变形，表现为强度降低，形变强化现象减弱，塑 性变形增加。
强度随温度升高而降低，塑性则随温度升高而增加。
高等教育
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对于大多数碳钢、铬钼钢和奥氏体钢，强度极限 随温度的变化大致上可分为三个阶段：
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材料在高温条件下，承受不同的载荷，其断裂所需的时间也不同。
不但断裂所需的时间随着承受的应力增加而缩短，而且断裂的形式也会 发生改变。
晶界强度与晶粒强度随温度增加而下降的趋势不同，在其交点 对应温度TS（称为等强温度）以上，材料由穿晶断裂变为沿晶 断裂。
形变速度愈低则TS愈低
强度
晶界
100 200 300 400 500 600 700 温度,℃
4
碳钢和Cr-Mo钢的伸长率和断面收缩率随温度的变 化也可分为三个阶段：
初始阶段、中间阶段和第三阶段。
在初始阶段，伸长率和断面收缩率随温度升高而逐渐下降； 中间阶段，伸长率和断面收缩率达到一个最低值，然后又开始回
升； 到第三阶段，随着温度的升高，伸长率和断面收缩率明显升高。
仲裁试验时 ≤600：±3 >600~900:±5 >900~1200：±6 常规试验时，允许再 加2°波动
0.01mm
T 0.2
:
0.01mm
4
T 0.2
:
每格0T.2 0:.001.0m2mmm
T p
:
0.002mm
应变速度（加载速度）
屈服点或屈服强度前： ≤0.03l0/min（一般试验） ≤0.02l0/min（仲裁试验）
ε=1.0%/min ε=0.1%/min
Байду номын сангаас
450℃
10
20
30
40
50
60
70
应变ε%
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由于应变速率的这种影响，为了使高温短时拉伸试验的结 果能相互比较，其试验时间必须统一规定。
各国在试验标准中都对此作出了严格的要求
项目 标准名称
YB941 中国
ISO R-783 国际
ASTM E21 美国
≤982：±3
3
>982:±6
6
引伸仪精度
T 0.2
:
0.02%
T 0.01
:
每格
0.001mm
0.00T1.2 %: 0.01%
ET 0.002%
≤800：±5 5
300~600：±3 >600~800：±4 >800~1000：±6
≤600：±3 >600~800：±4 >800~1000:±6 >1000~1100:±8
应变速度越高，材料的强度也越高。
尽管室温下应变速度对强度也有影响，但在高温下这种影响要 大得多。
应力,MPa
450 400 350 300 250 200 150 100
50 0 0
ε=85%/min ε=10%/min ε=1.0%/min ε=0.1%/min
25℃
ε=85%/min ε=10%/min
温度影响材料的微观断裂方式。
环境介质对材料的腐蚀作用随着温度的升高而加剧，从而影响材料 的力学性能。
因此，材料的室温力学性能不能反映它在高温承载时的行为， 必须进行专门的高温性能试验，才能确定材料的高温力学性 能
而温度与时间是影响金属高温性能的重要因素，故研究金属 高温力学行为必须研究温度、应力和应变与时间的关系。
伸长率,% 断面收缩率,%
60 50 40 30 20 10
0 0
20钢δ5 20钢δ10
15CrMo钢δ10
15CrMo钢δ5
100
200
300
400 温度50,0℃
600
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100 80 60 40 20 0 0
15CrMo钢
20钢
100
200
300
400
500
600
温度,℃
5
在高温条件下，应变速度对材料的强度也有明显 的影响。
穿晶断裂
晶粒
沿晶断裂
TTsK
温度
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小结
强度随温度升高而降低，塑性则随温度升高而增加。 力学行为及性能与加载持续时间密切相关
在高温下即使承受应力小于该温度下的屈服强度，随着承载时间的增加 材料也会产生缓慢而连续的塑性变形，即材料将发生蠕变。
在高温下随承载时间的增加塑性会显著下降，材料的缺口敏感性增加， 断裂往往呈脆断现象。
屈服强度前： 0.1%~0.3%/min 屈服点前：（0.5±0.2）%/min 屈服点后：（5±1）%/min 屈服强度前： （0.1~0.3）%/min 屈服点或屈服强度附近： （0.1~0.5）%/min 屈服强度后：（0.5~1.0）%/min
屈服点前：<5MPa/s
（0.04~0.1）l0/min 不大于80MPa/min
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2. 蠕 变
金属在一定温度、一定应力（即使小于σs） 作用下，随着时间的增加而缓慢连续产生 塑性变形的现象称为蠕变。
蠕变在温度较低时也会发生，但只有在温度高 于0.3Tf（熔点温度）时才比较明显。
初始阶段、中间阶段和第三阶段。
在初始阶段温度较低，强度极限随着温度的升高而明显降低。 在中间阶段，强度极限随温度升高而缓慢下降。 在温度较高的第三阶段，强度极限急剧降低。
– 碳钢和某些低合金钢（如Cr-Mo钢、Cr-Mo-V钢）在中间阶段强 度极限会出现一个升高的峰值，这是时效硬化所造成的。
BS3688 英国
JIS G0567 日本
DIN 50112 DIN 50118
德国
载荷 精度 <±1% <±1% <±1% <±0.5% <±1%
<±1%
ГОСТ9651 前苏联
<±1%
试验温度允差（℃）
波动
梯度
<600:±3
3
600~900：±4
4
>900~1200:±5
5
≤800：±5 >800~1000:±6
金属材料的高温强度
王印培 教授
高等教育
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内容
1. 金属材料在高温下的力学行为特点 2. 蠕变 3. 表征材料高温力学性能的强度指标 4. 高温强度的影响因素
高等教育
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1.金属材料在高温下的力学行为特点
由于高温下原子扩散能力的增大，材料中空位数 量的增多以及晶界滑移系的改变或增加，使得材 料的高温强度与室温强度有很大的不同。
– 峰值温度与材料的蓝脆温度相当。
抗拉强度,MPa 屈服强度,MPa
700 600 500 400 300 200 100
0 0
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20钢
15CrMo钢
18-8不锈钢
200
400
600
800
温度,℃
400 350 300 250 200 150 100
50 0 0
15CrMo钢 20钢
18-8不锈钢