温度如何影响材料性能？材料选择的重要启示

温度对材料的机械性能有很大影响，会影响材料的强度、延展性、硬度和韧性。随着温度的升高，大多数材料的强度和硬度都会降低，而延展性和韧性通常会增加。这是由于高温下原子振动和流动性增加，从而促进了位错运动，降低了变形阻力。相反，在较低温度下，由于原子运动受到限制，位错移动性降低，材料往往变得更脆，韧性更差。了解这些与温度有关的变化对于在不同热条件下的应用中选择材料至关重要。

要点说明

温度对材料强度的影响
- 高温： 温度升高时，材料的屈服强度和抗拉强度通常会下降。这是因为较高的热能会增加原子振动，使位错更容易在材料中移动。因此，材料变得更软，更容易变形。
- 低温： 在较低温度下，材料通常会变得更坚固，但也更脆。热能减少会限制位错运动，从而增加材料的抗变形能力。然而，强度增加的代价是延展性降低，使材料在应力作用下更容易断裂。
温度对延展性和韧性的影响
- 高温： 延展性和韧性通常会随着温度的升高而增加。原子流动性的增强使材料在断裂前能经历更多的塑性变形，从而使其更具延展性。这种在断裂前吸收能量的能力增强也会提高韧性。
- 低温： 延展性和韧性会随着温度的降低而降低。原子运动受限限制了材料的塑性变形能力，从而导致材料的脆性增加。这就降低了材料吸收能量的能力，降低了其韧性，增加了脆性断裂的可能性。
温度对硬度的影响
- 高温： 硬度通常会随着温度的升高而降低。原子振动和位错流动性的增加会降低材料的抗压痕和抗划痕能力。
- 低温： 由于原子移动性降低，位错运动的阻力增加，因此硬度在较低温度下会增加。这使得材料更硬，但也更脆。
热胀冷缩
- 高温： 由于原子振动加剧，材料在加热时会膨胀。这种热膨胀会导致材料内部的尺寸变化和应力，从而可能影响其机械特性和性能。
- 低温： 材料在冷却时会收缩，这也会产生应力并影响机械性能。收缩会导致内应力增加，特别是在受约束的部件中，可能会导致开裂或失效。
相变和微结构效应
- 高温： 有些材料在高温下会发生相变，如熔化或再结晶。这些变化会极大地改变材料的微观结构，从而导致机械性能的改变。例如，高温退火可以减少内应力，增加延展性。
- 低温： 在低温条件下，某些材料可能会发生相变，例如在钢中形成马氏体，这可以提高硬度，但会降低延展性。这些微结构变化会对材料的机械性能产生深远影响。
蠕变和应力松弛
- 高温： 蠕变是一种在恒定应力下随时间变化的缓慢变形，在高温下变得更加显著。原子迁移率的增加使位错更容易移动，从而导致随时间逐渐发生变形。应力松弛是指在恒定应变下，应力随时间的推移而减小，在高温下也更为明显。
- 低温： 在低温条件下，由于原子流动性降低，蠕变和应力松弛的影响较小。不过，在某些条件下，材料仍会发生随时间变化的变形，尽管速度要慢得多。
温度对疲劳寿命的影响
- 高温： 疲劳寿命，即材料在失效前可承受的循环次数，在高温下通常会缩短。位错流动性的增加和蠕变变形的可能性会加速疲劳裂纹的产生和扩展。
- 低温： 根据材料的不同，低温下的疲劳寿命可能会延长，也可能会缩短。有些材料会因强度增加而提高抗疲劳性能，而有些材料则会因延展性降低和脆性增加而更容易发生疲劳失效。
特定材料行为
- 金属金属通常遵循上述趋势，在高温下强度降低、延展性增加，而在低温下强度增加、延展性降低。不过，特定金属可能因其晶体结构和合金元素而表现出独特的行为。
- 聚合物： 聚合物对温度变化特别敏感。在高温下，它们可能会软化或熔化，从而大大降低其机械性能。在低温条件下，它们会变脆并失去弹性。
- 陶瓷陶瓷通常更耐高温，但在低温下会变脆。与金属和聚合物相比，陶瓷的机械性能受温度影响较小，但在极端条件下仍会发生显著变化。

要为特定应用选择合适的材料，尤其是那些暴露在不同热环境中的应用，了解机械性能随温度变化而发生的这些变化至关重要。工程师必须考虑这些影响，以确保材料在实际应用中的可靠性和使用寿命。

总表：

财产	高温效应	低温效应
实力	由于原子振动和位错流动性增加而降低。	由于原子移动性降低而增加，但材料变得更脆。
延展性	随着原子移动性的增加，断裂前的塑性变形也会增加。	由于原子运动受限，塑性变形受限，因此原子运动会减少。
硬度	由于抗压痕和抗划痕的能力降低，抗压强度也随之降低。	由于脱位运动受限而增加。
韧性	随着材料在失效前可吸收的能量增加而增加。	随着材料变得越来越脆，吸收能量的能力下降。
热膨胀	材料膨胀会导致尺寸变化和潜在应力。	材料收缩，产生应力和潜在裂纹。
相变	相变（如熔化、再结晶）会改变微观结构和特性。	相变（如马氏体的形成）会增加硬度，但会降低延展性。
蠕变	由于原子迁移率和位错运动的增加，其意义更为重大。	由于原子流动性降低，影响较小。
疲劳寿命	由于裂纹萌生和扩展速度加快，一般会减少。	因材料而异；有些材料的抗性有所提高，有些材料则更容易失效。