金屬材料的疲勞分為(wei)高溫疲勞和(he)熱(re)疲勞。


  高溫疲(pi)勞(lao)是指在高溫下，受交變或重復應力作用的高溫零(ling)件，也(ye)經(jing)常因(yin)疲(pi)勞(lao)而引起斷(duan)裂(lie)的現象稱為高溫疲(pi)勞(lao)。


  受交變或重(zhong)復應(ying)力作用的高(gao)溫零件，也經常(chang)因疲勞(lao)而引起斷裂(lie)。由于在(zai)對(dui)稱交變應(ying)力作用下(xia)，在(zai)張應(ying)力期所(suo)產生(sheng)的伸長在(zai)一定程度(du)上為(wei)以后(hou)壓應(ying)力產生(sheng)的壓縮所(suo)抵消，所(suo)以一般只(zhi)有在(zai)不對(dui)稱交變應(ying)力下(xia)其(qi)不對(dui)稱部分應(ying)力才會(hui)引起蠕(ru)變。


  疲(pi)(pi)勞裂(lie)(lie)紋(wen)一般是(shi)(shi)由(you)表面層或表面下(xia)(xia)某些缺陷形成的(de)(de)。在(zai)交(jiao)變(bian)應力(li)(li)作(zuo)用(yong)下(xia)(xia)，裂(lie)(lie)紋(wen)逐漸擴大，直到剩余的(de)(de)斷面承(cheng)受(shou)不了(le)交(jiao)變(bian)應力(li)(li)而(er)發生突然斷裂(lie)(lie)。研究指(zhi)出，在(zai)較低溫(wen)度下(xia)(xia)，疲(pi)(pi)勞裂(lie)(lie)紋(wen)是(shi)(shi)穿(chuan)晶(jing)的(de)(de)，而(er)在(zai)高(gao)溫(wen)下(xia)(xia)，疲(pi)(pi)勞裂(lie)(lie)紋(wen)沿晶(jing)界發展(zhan)。裂(lie)(lie)紋(wen)從穿(chuan)晶(jing)型到沿晶(jing)型發展(zhan)的(de)(de)轉變(bian)溫(wen)度是(shi)(shi)隨應力(li)(li)的(de)(de)大小(xiao)、應力(li)(li)交(jiao)變(bian)頻(pin)率以及介質的(de)(de)作(zuo)用(yong)等(deng)因素(su)而(er)改變(bian)的(de)(de)。在(zai)交(jiao)變(bian)應力(li)(li)條件下(xia)(xia)，一般比靜拉伸測出的(de)(de)穿(chuan)晶(jing)沿晶(jing)斷裂(lie)(lie)轉變(bian)溫(wen)度要高(gao)。增(zeng)加交(jiao)變(bian)應力(li)(li)的(de)(de)頻(pin)率，該轉變(bian)溫(wen)度升高(gao)；由(you)于化學介質的(de)(de)作(zuo)用(yong)，該轉變(bian)溫(wen)度降得(de)很低。另外，耐熱鋼與合金在(zai)一定(ding)溫(wen)度下(xia)(xia)給定(ding)時間(jian)內(nei)的(de)(de)疲(pi)(pi)勞破(po)壞(huai)應力(li)(li)是(shi)(shi)與同樣(yang)條件下(xia)(xia)的(de)(de)持久(jiu)強度之間(jian)有很好的(de)(de)相關性，一般持久(jiu)強度越高(gao)，高(gao)溫(wen)疲(pi)(pi)勞強度越高(gao)。


  研究結果表明，某(mou)(mou)材料在某(mou)(mou)一(yi)高溫(wen)(wen)(wen)下，108次高溫(wen)(wen)(wen)疲(pi)勞強度(du)(du)是該溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)下高溫(wen)(wen)(wen)抗拉強度(du)(du)的 1/2 。


  不銹鋼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(re)膨(peng)脹系數越小，在同一熱(re)周期作用下應(ying)變量越小，變形抗力(li)越小和(he)斷裂強度越高，持久壽(shou)命(ming)就越長(chang)。可以說(shuo)馬(ma)氏體型不(bu)(bu)銹(xiu)鋼(gang)1Cr17的(de)疲(pi)勞壽(shou)命(ming)最長(chang)，而0Cr19Ni9、0Cr23Ni13和(he)2Cr25Ni20等奧氏體型不(bu)(bu)銹(xiu)鋼(gang)的(de)疲(pi)勞壽(shou)命(ming)最短。另外(wai)，鑄件較鍛件更易發生由于(yu)熱(re)疲(pi)勞引起的(de)破壞。


  在室溫(wen)下，107次疲勞強度(du)是抗拉(la)強度(du)的(de)(de)1/2。與高(gao)溫(wen)下的(de)(de)疲勞強度(du)相比可知，從室溫(wen)到高(gao)溫(wen)的(de)(de)溫(wen)度(du)范圍(wei)內疲勞強度(du)沒有太大(da)的(de)(de)差異。


  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(ban)隨(sui)著(zhu)加熱(re)和冷(leng)卻，用于部件(jian)的支撐件(jian)，因(yin)熱(re)膨脹、熱(re)收縮(suo)(suo)受到約束時，這將阻礙材料(liao)的脹縮(suo)(suo)變(bian)形，而產生應力(li)。這種隨(sui)著(zhu)溫度反復(fu)變(bian)化而引起應力(li)也反復(fu)變(bian)化，導致使(shi)材料(liao)損傷的現象同樣為(wei)熱(re)疲勞(lao)。


  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(ling)外，耐(nai)熱鋼與合(he)金在一定溫度(du)下(xia)給定時間內的疲勞破壞應力是與同(tong)樣(yang)條件下(xia)的持久強(qiang)度(du)之間有很好(hao)的相(xiang)關性，一般(ban)持久強(qiang)度(du)越(yue)高，高溫疲勞強(qiang)度(du)越(yue)高。