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，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。

    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，后者則采用振動法或超聲波脈沖法進(jìn)行測定。振動法是使試件在高溫爐中做彈性振動，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。

    2、熱系數(shù)與溫度的關(guān)系

    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。

導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化曲線

線脹系數(shù)隨溫度變化曲線

比熱容隨溫度變化曲

    3、材料的熱疲勞

    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，最終會由于疲勞而產(chǎn)生龜裂而導(dǎo)致破壞。這種現(xiàn)象稱為熱疲勞。

    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。

熱循環(huán)與應(yīng)力一應(yīng)變圖線

    假設(shè)試驗(yàn)開始時，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)變線開始時平行于OA向下移動，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)度是指一個循環(huán)的塑性應(yīng)變εP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：

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

    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，是一個專門的研究領(lǐng)域。

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責(zé)任編輯：殷鵬飛

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