一、正溫范圍下鋼材性能變化

• 200℃以上：隨著溫度升高，鋼材的抗拉強度、屈服點和彈性模量總體趨勢是強度降低、塑性增大。例如普通鋼材在此溫度區(qū)間，隨著溫度上升，其抵抗拉伸的能力、開始屈服的應(yīng)力點以及彈性變形能力的相關(guān)指標(biāo)都會發(fā)生變化，強度逐漸下降而塑性增加。
• 250℃左右：鋼材的抗拉強度略有提高，但塑性卻降低，鋼材呈現(xiàn)脆性。如果在此區(qū)域?qū)︿摬脑偌訜�，鋼材可能產(chǎn)生裂縫。這是鋼材在這個特殊溫度點的性能表現(xiàn)，與鋼材內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)和原子間作用力等因素有關(guān)。
• 250 - 350℃：鋼材將產(chǎn)生徐變現(xiàn)象，鋼材的性能受到不同程度的損傷。徐變是在一定溫度和應(yīng)力下隨時間發(fā)展的一種變形現(xiàn)象，在這個溫度區(qū)間鋼材的性能穩(wěn)定性被破壞，產(chǎn)生額外的變形等問題。

二、高溫下不同鋼材的性能表現(xiàn)

• 900℃以下（16Mn鋼筋）：有屈服臺階的16Mn鋼筋在900℃以下時強度和延伸率變化很小。這表明在這個溫度范圍之，16Mn鋼筋能夠保持較好的力學(xué)性能，其結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，在工程結(jié)構(gòu)中有較好的性能表現(xiàn)。
• 1000℃（16Mn鋼筋）：16Mn鋼筋溫度達(dá)到1000℃時，鋼材強度下降10%。隨著溫度進(jìn)一步升高到1000℃，16Mn鋼筋的強度開始明顯下降，說明高溫對其力學(xué)性能影響加劇。
• 600℃以下（冷拔低碳鋼絲）：無屈服臺階的冷拔低碳鋼絲經(jīng)過2h升溫至600℃以下，強度受到影響不大。冷拔低碳鋼絲在600℃以下升溫過程中，依然能夠維持較好的強度性能，在一些結(jié)構(gòu)中如果溫度不超過這個范圍，其承載能力等性能不會有大的變化。
• 600℃以上（冷拔低碳鋼絲）：溫度在600℃以上時冷拔低碳鋼絲限強度下降達(dá)40%。這表明超過600℃后，冷拔低碳鋼絲強度大幅下降，結(jié)構(gòu)安全性可能受到嚴(yán)重影響，在實際工程中如果有這種溫度風(fēng)險需要特別關(guān)注。

三、低溫下鋼材性能變化

• 碳素鋼和低合金鋼（低于20℃）：隨著溫度降低，碳素鋼和低合金鋼的強度提高，而韌性降低。當(dāng)溫度低于20℃時，可采用20℃時的許用應(yīng)力，但需要注意其韌性下降可能帶來的脆性風(fēng)險。例如在寒冷地區(qū)的一些鋼結(jié)構(gòu)工程中，如果采用碳素鋼和低合金鋼，低溫下雖然強度增加，但韌性降低可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在受到?jīng)_擊時更容易發(fā)生破壞。
• 韌脆性轉(zhuǎn)變溫度（特定界限溫度）：當(dāng)溫度低于某一界限（韌脆性轉(zhuǎn)變溫度）時，鋼（如碳素鋼和低合金鋼）的沖擊吸收功大幅度地下降。這一轉(zhuǎn)變溫度是衡量鋼材低溫性能的一個關(guān)鍵指標(biāo)，不同鋼材的韌脆性轉(zhuǎn)變溫度有所差異，在低于此溫度時鋼材的脆性明顯增加，對結(jié)構(gòu)安全有重要影響2。
• 面心立方晶格材料（如銅、鋁和奧氏體不銹鋼）：這些材料在低溫下沖擊吸收功隨溫度的變化很小，在很低的溫度下仍具有高的韌性。與碳素鋼和低合金鋼不同，面心立方晶格材料受低溫影響較小，在低溫環(huán)境下如果對韌性要求較高，可以考慮選用這類材料。

四、高溫長期靜載下鋼材性能

• 蠕變現(xiàn)象（碳素鋼>420度、合金鋼>400 - 500度）：在高溫和恒定載荷的作用下，碳素鋼（溫度>420度）、合金鋼（溫度>400 - 500度）會產(chǎn)生蠕變現(xiàn)象，即金屬材料會產(chǎn)生隨時間而發(fā)展的塑性變形。例如在一些高溫高壓的容器設(shè)備中，如果鋼材處于這樣的溫度范圍且承受長期靜載，就可能發(fā)生蠕變，影響設(shè)備的安全性和使用壽命。
• 蠕變曲線三階段
  • ab階段（減速蠕變）：即蠕變的階段，是蠕變的不穩(wěn)定階段，蠕變速率隨時間的增長而逐漸降低，也稱為蠕變的減速階段。
  • cd階段（加速蠕變）：在這階段里蠕變速度不斷增加，直至斷裂。
  • 中間階段（恒速蠕變）：對于同一材料，改變溫度或改變應(yīng)力，蠕變曲線都會不同。當(dāng)應(yīng)力較小或溫度很低時，第二階段（恒速蠕變）的持續(xù)時間長，甚至無第三階段；相反，當(dāng)應(yīng)力較大或溫度較高時，第二階段持續(xù)時間短，甚至完全消失。
• 蠕變限與持久強度
  • 蠕變限：是高溫長期載荷作用下，材料對變形的抗力。其表示法有兩種，一是在給定溫度下，使試樣產(chǎn)生規(guī)定的第二階段蠕變速率的應(yīng)力值；二是在給定溫度和規(guī)定時間內(nèi)，使試樣產(chǎn)生一定量的蠕變總伸長率的應(yīng)力值（常用）。在高溫運行中要嚴(yán)格控制變形的零件（如渦輪葉片）設(shè)計時需要考慮蠕變限。
  • 持久強度：在給定的溫度下，經(jīng)過一定時間后發(fā)生斷裂時構(gòu)件所能承受的大應(yīng)力。在高溫壓力容器設(shè)計中，不僅要防止過大的變形，而且要確保在規(guī)定條件下不會蠕變斷裂，往往同時用蠕變限和持久強度來確定許用應(yīng)力（確定持久強度的時間為105h）。

五、不同熱處理工藝對鋼錠力學(xué)性能的影響（以022Cr25Ni7Mo4WCuN不銹鋼鋼錠為例）

• 固溶處理：將022Cr25Ni7Mo4WCuN不銹鋼加熱至一定溫度，然后冷卻至室溫。這種處理方式可以消除鋼中的鐵素體相，提高不銹鋼的抗拉強度和硬度等力學(xué)性能。如果需要提高該不銹鋼的強度和硬度，可采用固溶處理工藝。
• 時效處理：將固溶處理后的022Cr25Ni7Mo4WCuN不銹鋼在一定的溫度下持續(xù)加熱一段時間，然后迅速冷卻。這種處理方式可以使鋼中的金屬元素均勻分布，并形成合適的強化相，提高不銹鋼的韌性和延展性等力學(xué)性能。當(dāng)對不銹鋼的韌性和延展性有要求時，時效處理是較好的選擇。
• 淬火處理：將022Cr25Ni7Mo4WCuN不銹鋼加熱至一定溫度，然后迅速冷卻至室溫。這種處理方式可以使鋼中的晶粒細(xì)化，提高不銹鋼的硬度和耐磨性等力學(xué)性能，但會降低不銹鋼的韌性。如果側(cè)重于提高硬度和耐磨性而對韌性要求不高時，可以考慮淬火處理。

六、3J61恒彈性精密合金國標(biāo)鋼錠在不同溫度下的力學(xué)性能

• 室溫（20°C）：3J61合金在室溫下表現(xiàn)出較好的力學(xué)性能，其彈性限為1600MPa，抗拉強度為1200MPa，屈服強度為1000MPa，并且具有足夠的延展性，能夠在各種復(fù)雜的應(yīng)力環(huán)境下保持穩(wěn)定的性能。這使得它在航空航天、儀器儀表、精密機(jī)械和電子工業(yè)等域能夠滿足常溫下的使用要求。
• 高溫（500°C和700°C）：在高溫環(huán)境中（如500°C和700°C）該合金仍能保持其優(yōu)異的性能，具體表現(xiàn)為其力學(xué)性能在高溫下依然能維持在較好的水平，滿足在高溫環(huán)境下航空航天和高精度儀器等域的使用要求。

原創(chuàng)作者：泊頭市河鑄重工機(jī)械有限公司