金屬(shu)材料的疲勞分為高溫疲勞和熱疲勞。


  高(gao)溫(wen)疲(pi)(pi)勞(lao)是指在(zai)高(gao)溫(wen)下，受交變或重復應(ying)力(li)作用的(de)高(gao)溫(wen)零件，也經(jing)常因疲(pi)(pi)勞(lao)而(er)引起斷裂的(de)現象稱為高(gao)溫(wen)疲(pi)(pi)勞(lao)。


  受交(jiao)變(bian)(bian)或重(zhong)復應(ying)(ying)力作用的(de)高溫零件，也經常因疲勞而(er)引起(qi)斷(duan)裂(lie)。由于在對稱交(jiao)變(bian)(bian)應(ying)(ying)力作用下(xia)，在張應(ying)(ying)力期所(suo)產生(sheng)的(de)伸長在一定程(cheng)度上為以后壓應(ying)(ying)力產生(sheng)的(de)壓縮所(suo)抵消，所(suo)以一般只有在不(bu)對稱交(jiao)變(bian)(bian)應(ying)(ying)力下(xia)其不(bu)對稱部分應(ying)(ying)力才會引起(qi)蠕(ru)變(bian)(bian)。


  疲(pi)勞(lao)裂(lie)(lie)紋(wen)一般是(shi)由(you)表面層或表面下(xia)(xia)某些缺陷形成的(de)(de)(de)(de)。在(zai)交(jiao)變(bian)(bian)應力(li)作用下(xia)(xia)，裂(lie)(lie)紋(wen)逐(zhu)漸擴大，直到剩余的(de)(de)(de)(de)斷面承(cheng)受(shou)不了交(jiao)變(bian)(bian)應力(li)而發(fa)生突(tu)然斷裂(lie)(lie)。研究指出，在(zai)較低溫(wen)(wen)(wen)度(du)下(xia)(xia)，疲(pi)勞(lao)裂(lie)(lie)紋(wen)是(shi)穿晶(jing)的(de)(de)(de)(de)，而在(zai)高(gao)(gao)(gao)(gao)溫(wen)(wen)(wen)下(xia)(xia)，疲(pi)勞(lao)裂(lie)(lie)紋(wen)沿(yan)晶(jing)界發(fa)展(zhan)。裂(lie)(lie)紋(wen)從穿晶(jing)型(xing)到沿(yan)晶(jing)型(xing)發(fa)展(zhan)的(de)(de)(de)(de)轉變(bian)(bian)溫(wen)(wen)(wen)度(du)是(shi)隨應力(li)的(de)(de)(de)(de)大小、應力(li)交(jiao)變(bian)(bian)頻率以(yi)及介質(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)(de)作用等因(yin)素而改變(bian)(bian)的(de)(de)(de)(de)。在(zai)交(jiao)變(bian)(bian)應力(li)條件下(xia)(xia)，一般比靜拉(la)伸測出的(de)(de)(de)(de)穿晶(jing)沿(yan)晶(jing)斷裂(lie)(lie)轉變(bian)(bian)溫(wen)(wen)(wen)度(du)要高(gao)(gao)(gao)(gao)。增加交(jiao)變(bian)(bian)應力(li)的(de)(de)(de)(de)頻率，該(gai)轉變(bian)(bian)溫(wen)(wen)(wen)度(du)升(sheng)高(gao)(gao)(gao)(gao)；由(you)于化學介質(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)(de)作用，該(gai)轉變(bian)(bian)溫(wen)(wen)(wen)度(du)降得很(hen)低。另外(wai)，耐(nai)熱鋼與(yu)合金在(zai)一定溫(wen)(wen)(wen)度(du)下(xia)(xia)給定時(shi)間內的(de)(de)(de)(de)疲(pi)勞(lao)破壞(huai)應力(li)是(shi)與(yu)同樣(yang)條件下(xia)(xia)的(de)(de)(de)(de)持久強(qiang)度(du)之間有很(hen)好的(de)(de)(de)(de)相(xiang)關性，一般持久強(qiang)度(du)越(yue)高(gao)(gao)(gao)(gao)，高(gao)(gao)(gao)(gao)溫(wen)(wen)(wen)疲(pi)勞(lao)強(qiang)度(du)越(yue)高(gao)(gao)(gao)(gao)。


  研究結果(guo)表明，某材料在某一高(gao)溫下，108次(ci)高(gao)溫疲勞(lao)強度是該溫度下高(gao)溫抗拉(la)強度的 1/2 。


  不銹鋼(gang)的成分和熱處理條件對高溫疲勞強度有直接影響。特別是當碳的含量增加時高溫疲勞強度明顯提高，固溶熱處理溫度對高溫疲勞強度也有顯著的影響。一般來說，鐵素體型不銹鋼具有良好的熱疲勞性能。在奧氏體不銹鋼中，當含硅量高且在高溫下具有良好延伸性的牌號的鋼種，有著良好的熱疲勞性能。


  熱膨(peng)脹系數越(yue)(yue)小(xiao)，在同一熱周期作(zuo)用(yong)下(xia)應變量越(yue)(yue)小(xiao)，變形抗力越(yue)(yue)小(xiao)和斷裂強度越(yue)(yue)高，持久壽(shou)命(ming)就(jiu)越(yue)(yue)長(chang)(chang)。可以說馬氏體型不銹鋼(gang)1Cr17的疲勞壽(shou)命(ming)最長(chang)(chang)，而0Cr19Ni9、0Cr23Ni13和2Cr25Ni20等奧(ao)氏體型不銹鋼(gang)的疲勞壽(shou)命(ming)最短。另外，鑄(zhu)件(jian)(jian)較鍛件(jian)(jian)更易(yi)發生由于熱疲勞引起(qi)的破壞。


  在室溫下(xia)，107次疲勞強(qiang)(qiang)度是抗(kang)拉強(qiang)(qiang)度的1/2。與(yu)高(gao)溫下(xia)的疲勞強(qiang)(qiang)度相比可知，從室溫到高(gao)溫的溫度范圍內疲勞強(qiang)(qiang)度沒有太大(da)的差(cha)異(yi)。


  熱疲勞可能使噴氣式發動機或汽輪機（透平機）的葉片等造成破壞。用所測定出來的數據繪制出的曲線，稱為S-N曲線，見圖4-3，它可作為結構設計的基礎。不銹鋼的化學成分或熱處理，在蠕變時同樣會影響到高溫疲勞強度。06Cr18Ni11Nb（347），06Cr18Ni11Ti（321）因為具備高溫特性，用途較廣，但在700℃上下的積層缺陷上，在析出微細的NbC，TiC硬化物的背面，容易發生脆性晶間裂紋，而引起疲勞強度的降低。


圖 3.jpg


  伴隨著加熱和冷卻，用于部件的支撐件，因熱膨脹、熱收縮受到約(yue)束時，這將阻礙材(cai)料的脹縮變形，而產生(sheng)應(ying)力(li)。這種隨著溫度反(fan)復(fu)變化(hua)而引(yin)起應(ying)力(li)也反(fan)復(fu)變化(hua)，導(dao)致(zhi)使材(cai)料損傷的現象同樣為熱疲勞。


  研究認為10Cr17（430）不銹鋼的疲勞壽命長，而06Cr19Ni10（304）、16Cr23Ni13（309）、20Cr25Ni20（310）等奧氏體系列不銹鋼的疲勞壽命短。這是因為前者線膨脹系數小，在同樣的一個熱循環過程中，其變形量越小，高溫延伸性就越大，其疲勞壽命就長。


  另外(wai)，耐(nai)熱鋼(gang)與合金在一定(ding)溫(wen)度(du)(du)下(xia)給(gei)定(ding)時間內的(de)疲(pi)勞(lao)破(po)壞應(ying)力是與同樣條件下(xia)的(de)持(chi)久強(qiang)度(du)(du)之間有很好的(de)相關性(xing)，一般持(chi)久強(qiang)度(du)(du)越高，高溫(wen)疲(pi)勞(lao)強(qiang)度(du)(du)越高。