材料性能與溫度的關(guān)系

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與溫度有關(guān)的材料系數(shù)有兩種類型：一類是與材料的力學(xué)性能有關(guān)的材料系數(shù),；另一類是與熱傳導(dǎo)相關(guān)的材料系數(shù),。屬于前者的有E,，G,，v,，a,；屬于后者的有C(比熱容)，ρ (密度),，k(熱傳導(dǎo)系數(shù))等,。這些系數(shù)實(shí)際上并非常數(shù)，而是隨溫度而變化的,。但當(dāng)溫度不高時(shí),，通常取平均值當(dāng)作常數(shù)處理，然而在溫度高,、變化大的情況下,，則必須考慮其隨溫度的變化。

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1,、彈性系數(shù)與溫度的關(guān)系

金屬的彈性系數(shù)E,，剪切模量G隨溫度增高而減小，泊松比v隨溫度變化不大,。E,，G與溫度的測定有靜態(tài)法和動(dòng)態(tài)法，前者是在高溫爐由加載進(jìn)行測試,，后者則采用振動(dòng)法或超聲波脈沖法進(jìn)行測定,。振動(dòng)法是使試件在高溫爐中做彈性振動(dòng)，通過測定頻率來測定彈性常數(shù),。超聲波法則是給試件以超聲波,，通過測量波的傳播速度來測定E，G,，v。
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+ y# P- k% a7 T/ ?$ G2,、熱系數(shù)與溫度的關(guān)系
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金屬材料的熱系數(shù)與溫度一般呈線性關(guān)系,，線脹系數(shù)a大體上隨溫度升高而直線增加，導(dǎo)熱系數(shù)k隨溫度增加而減小,，比熱容隨溫度增加而增高,。通過試驗(yàn)測得的熱系數(shù)與溫度關(guān)系的直線斜率或曲線曲度，即可知具體材料的熱系數(shù)隨溫度的變化,。例如,，從不同的資料來源，碳鋼的熱系數(shù)隨溫度變化如圖1所示,。

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導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化曲線

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線脹系數(shù)隨溫度變化曲線

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比熱容隨溫度變化曲

8 D0 C# A+ B# k5 V( \2 O! o; A0 C3,、材料的熱疲勞
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6 I0 V, ^6 t, [4 t當(dāng)延性材料隨溫度升高，即使所受應(yīng)力超過屈服點(diǎn)也不會(huì)立即破壞,，但即使應(yīng)力水平較低,，若有較大的溫度變化反復(fù)進(jìn)行時(shí),，最終會(huì)由于疲勞而產(chǎn)生龜裂而導(dǎo)致破壞。這種現(xiàn)象稱為熱疲勞,。

/ i% h0 x# q7 W# x, |. ?設(shè)有一試驗(yàn)棒兩端固定,，受最高和最低溫度之間的反復(fù)熱循環(huán)過程如圖2所示。

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熱循環(huán)與應(yīng)力一應(yīng)變圖線

3 d9 g0 m* P$ w) y4 S' l( S假設(shè)試驗(yàn)開始時(shí),，棒在最高溫度下固定,，然后冷卻產(chǎn)生拉應(yīng)力，OAF為一應(yīng)力變線,。然后,，若重新加熱，則應(yīng)力一應(yīng)變線開始時(shí)平行于OA向下移動(dòng),，在比冷卻循環(huán)拉力低的應(yīng)力下產(chǎn)生屈服,，最后到達(dá)E點(diǎn)。若在最高溫度下保持一段時(shí)間,，則由于產(chǎn)生應(yīng)力松弛使壓應(yīng)力減小到達(dá)E'點(diǎn),。如再開始冷卻，則沿E'F'上升,，在最低溫度時(shí)達(dá)到F'點(diǎn),。由于在最低溫度下不產(chǎn)生壓力松弛。若再開始加熱,，則圖線沿F'E"下降,，在最高溫度時(shí)到E"點(diǎn)。此處因應(yīng)力松弛應(yīng)力減小移至E"'點(diǎn),，若再開始冷卻,，則沿曲線E"'F"在最低溫度達(dá)到F"點(diǎn)。

若重復(fù)這種冷卻一加熱循環(huán),，則應(yīng)力一應(yīng)變圖線每次都描繪出一條滯后曲線,，與其有關(guān)的返復(fù)塑性應(yīng)變就是熱疲勞的原因。熱循環(huán)的最高和最低溫度,、平均溫度,、最高溫度的保持時(shí)間、重復(fù)速度,、材料的彈塑性質(zhì)等都是影響熱疲勞的因素,。

熱疲勞的強(qiáng)度是指一個(gè)循環(huán)的塑性應(yīng)變?chǔ)臥和到達(dá)破壞的重復(fù)次數(shù)N之間的關(guān)系。根據(jù)曼森一科芬的經(jīng)驗(yàn)公式：

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其中,，εf表示一個(gè)熱循環(huán)的平均溫度下的靜拉伸試驗(yàn)中材料破壞時(shí)的伸長,。

* ?7 H( Q- h0 }3 H% {以上所述的僅是材料的單向熱應(yīng)力疲勞，實(shí)際結(jié)構(gòu)的熱疲勞則是多方向的，是一個(gè)專門的研究領(lǐng)域,。
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