金属材料处于不同的温度环境时，其性能将发生一系列的变化。了解这些变化，对于确定材料应用条件和正确选用材料是必须的。实际的工程实践也证明，温度是影响设计选材的一个重要条件，甚至在许多情况下，温度是确定选材的决定条件。
1、金属材料在高温下的性能变化
1）材料的蠕变及应力松弛
①材料的蠕变
当材料的使用温度超过其熔点的(0.25～0.35)倍时，金属性能已处于不稳定状态，此时若在外力的作用下，会出现这样一种现象:虽然材料的应力不再增加，但其变形却随着时间的增加而继续增大，而且出现了不可恢复的塑性变形。通常把这种变形称做材料的蠕变。
一般情况下，对碳钢，考虑蠕变发生的起始温度为300～350℃，对铬钼合金钢则为400～450℃。
②应力松弛
与蠕变现象相反，当材料受高温和外力的持续作用时可能会出现：材料的总应变量不变，使其中部分弹性变形转化成了塑性变形，从而导致弹性应力降低，即意味着金属材料被"放松"了。材料的这种现象称做应力松弛。应力松弛实际上是蠕变发生的另一种表现形式。
高温下工作的螺栓常因应力松弛而导致法兰泄漏，所以此时应选用抗蠕变能力高的铬钼钢材料作为高温螺栓材料。对于加工残余应力和焊接残余应力，由于应力松弛而使其减弱或释放，从而可减缓或消除它们带来的不利影响。
2）材料的球化和石墨化
①材料的球化
在高温作用下，碳钢中的渗碳体由于获得能量而将发生迁移和聚集，形成晶粒粗大的渗碳体并夹在铁素体内，尤其是对于珠光体碳钢，其渗碳体会由片状逐渐转变成球状。这种现象称为材料的球化。
球化的结果：使得材料的抗蠕变能力和持久强度下降，而塑性增加。
一般情况下，碳钢长期处于450℃以上温度环境时，就有明显的球化现象。
②材料的石墨化
对于碳钢和一些低合金钢，在高温作用下，其组织中会出现这样一种现象:其过饱和的碳原子发生迁移和聚集，并转化为石墨(石墨为游离的碳原子)。由于石墨强度极低，并以片状存在于珠光体内，将使材料的强度大大降低，而脆性增加。这种现象称为材料的石墨化。
一般情况下，碳钢长期处于425℃以上温度环境时，就有石墨化发生，而在475℃以上时则明显出现。为安全起见，SH3059标准规定，碳钢的最高使用温度为425℃，而GB150规范则规定其最高使用温度为450℃。
3）材料的高温氧化
金属材料处于高温和氧化性介质(如空气)的环境中时，将会被氧化。氧化产物为疏松的非金属物质，容易脱落，故有时也称其金属的氧化为脱皮。
以碳钢为例，当它处于570℃的空气中时，会产生FeO+Fe₃O₄+ Fe₂O₃氧化皮，该氧化皮很容易脱落而使金属减薄，故不受力的碳钢一般也应限制在560℃以下工作。
一般情况下，压力管道都不会以材料的抗氧化极限温度作为使用限制，只有在很特殊的情况下(如烧焦时)才可能这样做。常用材料的抗氧化极限温度列于表1-2。
表1-2 常用金属材料的抗氧化极限温度
抗氧化极限温度℃ | |
碳素钢 12CrMo 15CrMo 1Cr5Mo 0Cr18Ni9、0Cr18Ni10Ti、0Cr17Ni12Mo2 0Cr25Ni20 | ≤560 ≤590 ≤590 ≤650 ≤850 ≤1100 |
2、金属材料在低温下的性能变化
在低温情况下，材料因其原子周围的自由电子活动能力和“粘结力”减弱而使金属呈现脆性。一般情况下，对于每种材料，都有这样一个临界温度，当环境温度低于该临界温度时，材料的冲击韧性会急剧降低。通常将这一临界温度称为材料的脆性转变温度。为了衡量材料在低温下的韧性，常用低温冲击韧性(冲击功)来衡量，许多工程设计标准上都给出了材料低温冲击韧性(冲击功)的限制。常见材料的使用温度范围：
材 料 | 使用温度℃ |
10、20 16Mn 09Mn2V 12CrMo 15CrMo 1Cr5Mo 低碳奥氏体不锈钢（018CrNi9、0Cr17Ni12Mo2、0Cr18Ni19Ti） 超低碳奥氏体不锈钢（00Cr19Ni10） 超低碳奥氏体不锈钢（00Cr17Ni14Mo2） 0Cr25Ni20 | -20~425 -40~450 -70~100 ≤525 ≤550 ≤600 -196~700 -196~400 -196~450 ≤800 |
