鋼材金屬材料在高溫下的力學性能與室溫下有很大不同，影響因素也比室溫下復雜得多。室溫下材料力學性能與載荷保持時間關系不大，但是高溫下材料性能與時間有重大關系。高溫下金屬材料的組織可能發生變化，從而使性能也發生明顯變化。隨著溫度的升高，材料受環境、介質的腐蝕作用也加劇，這也會影響材料性能。
金屬材料的高溫力學性能主要包括高溫蠕變、松弛、高溫疲勞、高溫短時拉伸性能及高溫硬度等。
一、高溫蠕變
1.1 蠕變現象
金屬在一定溫度和一定壓力作用下，隨著時間增加，塑性變形緩慢增加的現象稱為蠕變。
圖1 為典型的蠕變曲線（ε-t曲線），它可分為三個區域（或三個階段）。
▲圖1 典型的蠕變曲線
區域Ⅰ（ab）為第一階段，是減速蠕變階段。加載后蠕變速度逐漸減少，如圖2所示。
區域Ⅱ（bc）即第二階段是恒速蠕變階段。這一階段如蠕變速度幾乎恒定，蠕變速度最小。通常所說的蠕變速度都是指這一階段的速度。
區域Ⅲ（cd）即第三階段，是加速蠕變階段，當變形達到c以后，蠕變速度迅速增加，達到d時斷裂。
▲圖2 
-t關系曲線
當在恒定溫度下改變應力或在恒定應力下改變溫度時，所得的蠕變曲線如圖3、圖4所示，都保持這三個階段。當應力較小或溫度較低時，則其第二階段（即等速蠕變階段）可以延續的很長；相反，當應力較大或溫度較高時，則第二階段很短甚至消失，這時蠕變就只有第一、第二階段，試樣在短時間內斷裂。
▲圖3 應力對蠕變曲線的影響
▲圖4 溫度對蠕變曲線的影響
蠕變曲線所表示的ε-t關系常采用下式表達：
ε=ε0+βt?+kt （1）
右邊一項是瞬時應變，包括起始彈性形變和塑性形變（這個值隨加載方法、形變的測定方法和精度等的不同，可能帶來不同的誤差），第二項是減速蠕變的應變，第三項是恒速蠕變引起的應變。
將式（1）對時間求導則得：
（2）
式中，n 為小于 1 的正數。
當 t 很小時，右邊第一項起決定作用。隨著時間增加，應變速度逐漸減小，它表示第一階段蠕變。當時間繼續增大時，第二項開始起主要作用，此時應變速度接近恒定值，即表示第二階段蠕變。
1.2 蠕變極限及其測定方法
金屬拉伸蠕變，其試驗方法在GB/T2039-xxxx中有詳細規定。材料的蠕變極限是根據蠕變曲線來確定的。確定蠕變極限有兩種方法。
（MPa），其中 t 表示實驗溫度 （℃），為第二階段的蠕變速度（%/h）。例如，
=60MPa表示溫度600℃，蠕變速度為1X10E-5%/h條件下的蠕變極限。 第二種：在一定溫度下， 在規定時間內，恰好產生某一允許的總變形量，把對應的應力值定義為條件蠕變極限，這種條件下的蠕變極限記為
（MPa），其中 δ/τ 表示在規定時間 τ 內，使試樣產生蠕變變形量δ%。例如
=10MPa表示在500℃下，10萬小時后，變形量為1%的蠕變極限為10MPa。
這種條件蠕變極限可以這樣來確定：首先在一定溫度t1 恒定應力σ1 下作蠕變試驗（參見圖3）。這時無需花很多時間做出整條曲線，只需進行到第二階段若干時間后，便可在 σ- ε-t 曲線上確定此時第二階段的平均蠕變1 。同樣，若保持溫度 t1 而改變應力 σ2，便可得2 …… 這樣可得到 t1 溫度下一系列不同應力σ對應的不同 ，可作出如圖5 所示的 lgσ-lg 曲線。
▲圖5 不同溫度下lgσ-lg曲線
因此在雙對數坐標上可用下列公式表示：
=
式中 a、b 是 與溫度、材料試驗條件有關的常數。
在動力工程中，如果規定，在 t1溫度下=10E-6%/h，則根據e ，在lgσ-lg 曲線上很容易確定t1溫度下的 σe 。
另外，根據lgσ-lg 曲線的線性關系可以看出，在采用較大應力，用較短時間做出幾條曲線后，便可以用外推法求出較小蠕變速度下的蠕變極限。不過這種推算出來的數據不是來源于試驗，使用時候要謹慎。
各種Cr-Mo鋼的蠕變極限強度隨溫度變化曲線如圖6 所示。可用看出，隨溫度升高，蠕變強度明顯下降。
▲圖6 各種Cr-Mo鋼的溫度-蠕變強度曲線
測定蠕變極限的試驗裝置如圖7所示。
1.3 持久強度極限、持久塑性及其測定方法
1.3.1 持久強度極限
蠕變極限以考慮變形為主，如燃氣輪機葉片在長期運行中，只允許產生一定量的變形量，在設計師必須考慮蠕變極限。持久強度則主要考慮材料在高溫長時間使用條件下的斷裂抗力，對某些零件（如鍋爐管道、噴氣式發動機等）等的蠕變變形要求不嚴，但必須保證在使用時不壞，這就要求持久強度極限來作為設計的主要依據。
高溫拉伸持久實驗方法在GB/T2039-xxxx中有詳細規定。持久強度極限是指試樣在一定溫度和規定持續時間內引起斷裂的最大應力值。記做
各種耐熱材料和耐熱合金的持久強度極限見圖8 和 圖9 。
鍋爐、汽輪機等機組的設計壽命為數萬至數十萬小時。對于長壽命的持久強度極限，可以通過采用增大應力，縮短斷裂時間的方法，根據經驗公式外推到低應力長時間的持久強度極限。下面主要簡述對數外推法：
t=Aσ （4）
西門子燃氣輪機
exp（-t/t0） （7）
-第二階段初始應力
▲圖13 應力松弛原始曲線
圖14 松弛曲線
▲圖15 半對數松弛曲線
（8） 與σ的關系，見圖16 。
▲圖16 應力-塑性變形速度曲線
p 同時取決于應力和塑性應變；而第二階段幾乎與應變沒有沒有關系，僅僅取決于應力。這表明松弛的第一、二階段與蠕變的第一、二階段有相似的關系。
▲圖17 松弛試驗
計算機控制高溫蠕變試驗機實物圖
如果沒有上述試驗機，可采用一般蠕變試驗機進行試驗，也稱 Kobinson 法。如圖18所示 。
也可以采用環形試樣進行應力松弛試驗，其試樣形狀和尺寸如圖19 所示 。
▲圖20 一些經1000h總應變約為0.2%的材料的應力松弛曲線
三、其它高溫力學性能
3.1 高溫短時拉伸性能
評定耐熱材料的力學性能時，雖然短時拉伸性能不如蠕變和持久強度重要，但如果工作時間很短（例如火箭、導彈中的某些零件），或零件工作溫度不高（在400℃以下使用的鋼鐵材料），且蠕變現象并不起重要作用，以及檢查材料的熱塑性等情況時，短時間高溫拉伸性具有重要意義。
簡單的高溫拉伸試驗可在普通的拉伸試驗機上進行，只需附加加熱與測量裝置和耐高溫的試驗夾具及引伸計，即可測定高溫抗拉強度、彈性模量、伸長率、斷面收縮率等拉伸性能指標。但在高溫短時拉伸時，實驗溫度和載荷持續時間或開始速度對性能也有顯著影響，特別是加載速度和載荷持續時間及溫度波動（例如±5℃）的影響更大。一般高溫下的加載時間和持續時間比常溫下要長。常溫拉伸試驗的加載速度通常為5~10MPa/s，高溫短時拉伸加載速度較慢，一般為2.5~3MPa/s。高溫加載時間一般以20~30min為宜，否則會帶來較大誤差。
高溫拉伸試驗機實物圖
3.2 高溫硬度
高溫硬度用于衡量材料在高溫下抵抗塑性變形的能力。對于高溫軸承以及某些高溫下工作的工模具材料，高溫硬度是重要的質量指標。隨著高溫合金的開發，特別是高溫陶瓷材料的開發，這方面的知識已得到廣泛的應用。
高溫硬度試驗首先遇到的是壓頭問題。壓頭必須在高溫下仍能保持足夠的硬度并且十分穩定，與試樣不發生化學反應等。
一般布氏硬度試驗采用耐熱鋼、硬質合金或特殊陶瓷材料制成的壓頭。
金剛石壓頭雖經常使用，但必須注意，因被測試樣種類不同，不能應用的場合很多。例如，600℃附近與鋼材發生反應，1000℃時與純鐵發生粘著；900℃反復試驗幾次后壓頭便變鈍損壞；在850℃以上易于 Ti 和 Cr 發生化學反應等。
對于金屬試樣，常用藍寶石做壓頭，另外做壓頭材料的還有B4C、SiC等陶瓷材料。對一部分陶瓷材料，若不發生反應，使用溫度可達1500℃ 。
高溫顯微硬度計實物圖
▲圖23 疲勞強度和持久強度的關系
、應力和應變波形等。一般在高溫下，頻率的變化會大大影響裂紋的萌生和擴展的循環周次。圖24所示 為頻率與溫度對不同滑移材料疲勞壽命的影響。
圖25所示 為加載波形和保持時間對疲勞壽命的影響。
▲圖25 加載波形和保持時間對疲勞壽命的影響
由該圖可見，在循環拉伸側保持一段時間，使疲勞壽命下降。實際上，如果要綜合考慮溫度、時間對高溫疲勞壽命的影響，必須同時考慮蠕變與疲勞兩者以及他們之間的相互作用，即由兩者的綜合作用引起的構件失效。
3.3.3 蠕變與高溫疲勞的交互作用
在高溫下工作的許多實際工程構件，如燃氣輪機、核反應堆零件、化學高溫容器等，在工作時雖承受了循環應力或循環應變載荷的作用，但設計時不能進單一地按疲勞蠕變作設計準則，必須考慮兩者的交互作用。
蠕變與疲勞的相互作用，目前已提出許多理論，如線性損傷積累理論、應變分區理論，塑性耗竭理論等。下面簡單介紹線性損傷積累理論。該理論認為：蠕變引起的損傷Φe與疲勞引起的損傷Φf是各自獨立的，兩種損傷可以互相疊加（Φf+Φe），當他們達到材料允許極限損傷Φt時，尺寸便失效。因此設計準則為：
Φf+Φe≤Φt （10）
該式可以進一步表示為：
（11）
式中 Nd——允許的循環次數
Td ——允許的蠕變斷裂時間
n—— 實際循環次數
t ——實際蠕變時間
式（11）是 Palmgrem-Miner 經典損傷法則的表達式。
我國自主研發的第三代核反應堆
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