简而言之，热量从根本上降低了材料强度。 随着温度升高，材料内部的原子获得能量并更剧烈地振动，从而削弱了将它们束缚在一起的键。这使得材料对外部载荷的抵抗力减弱，导致其整体强度和刚度出现可测量的下降。
核心原理是热能与材料的内部结构相悖。通过使原子活化，热量使它们更容易相互移动和滑动，从而减少了使材料变形或断裂所需的力，并引入了在载荷下发生时间依赖性失效的风险。
基本机制：原子能量与运动
要理解为什么热量会影响强度，我们必须从原子层面来看。材料的强度来源于原子之间强大的键合力，这些键合力抵抗被拉开或被迫重新排列。
对拉伸强度的影响
拉伸强度是材料在拉伸或拉伸过程中在断裂前所能承受的最大应力。热量使原子获得振动能量，增加了它们之间的平均距离。这种膨胀削弱了内聚键，意味着需要更小的外部力才能将原子完全拉开。
刚度（弹性模量）的降低
刚度，即弹性模量，是材料抵抗弹性变形（即非永久性变形）的能力。当原子更活跃地振动时，它们更容易从其平衡位置被推开或拉开。结果是材料的刚性降低，在相同的施加载荷下更容易弯曲或拉伸。
隐藏的危险：蠕变变形
热量的最关键影响之一是随时间发生的现象。即使在远低于材料屈服强度的应力水平下，热量也可能导致缓慢的永久性变形。
什么是蠕变？
蠕变 是固体材料在持续机械应力（尤其是在高温下）的影响下缓慢移动或永久变形的趋势。想象一下，一个沉重的书架在许多年后开始下垂；热量极大地加速了这一过程。
为什么蠕变是一种关键的失效模式
蠕变是设计喷气发动机涡轮叶片或发电厂管道等高温部件时的主要考虑因素。随着时间的推移，这种缓慢的变形可能导致部件形状改变、结构完整性丧失，并最终在较低温度下可以轻松承受的应力水平下失效。
理解权衡和考虑因素
温度与强度之间的关系不是单方面的。虽然高温通常是有害的，但低温也带来了自身的挑战。
低温的影响
随着材料冷却，原子振动减弱。这使得原子间键合力增强并更有效，这通常会增加材料的强度和刚度。这就是为什么有些材料在深冷环境中会变得异常坚固。
脆性的风险
低温下的主要权衡是延展性的损失。许多常见材料，特别是某些钢材，可能会经历韧脆转变。它们变得更强，但失去了变形能力，使得它们在受到冲击时容易在没有任何预警的情况下突然碎裂或断裂。
并非所有材料都一样
温度影响强度的程度差异巨大。聚合物 对温度高度敏感，即使在适度升高的温度下也会损失显著的强度。金属 有一个明确的性能曲线，而像陶瓷 和 高温合金 这样的材料经过专门设计，能够在极端温度下保持其强度。
为热环境设计
归根结底，考虑温度不是一种选择；它是合理工程设计的根本要求。您的材料选择必须直接受操作热条件的影响。
- 如果您的主要重点是高温应用： 优先选择具有高熔点和优异抗蠕变性的材料，例如镍基高温合金或工程陶瓷，并纳入显著的安全系数。
- 如果您的主要重点是低温（深冷）应用： 选择已知能保持延展性并避免脆性断裂的材料，例如特定等级的不锈钢、铝合金或镍合金。
- 如果您的主要重点是存在温度循环的环境： 考虑热膨胀、收缩和材料疲劳的影响，因为重复的循环会随着时间的推移降低强度。
始终将温度视为一个直接决定材料性能和可靠性的关键载荷工况，而不是一个条件。
摘要表：
| 温度影响 | 对材料强度的影响 | 主要风险 |
|---|---|---|
| 高温 | 拉伸强度和刚度降低 | 蠕变变形，永久性失效 |
| 低温 | 强度增加但延展性降低 | 脆性断裂，突然失效 |
| 可变/循环 | 疲劳和微观结构损伤 | 随时间推移的强度逐渐退化 |
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