金屬材料的疲(pi)勞分為高(gao)溫疲(pi)勞和熱疲(pi)勞。


  高溫疲勞(lao)是指在高溫下(xia)，受交變或重復應力作用的高溫零件(jian)，也經常(chang)因疲勞(lao)而引起斷(duan)裂(lie)的現(xian)象稱(cheng)為高溫疲勞(lao)。


  受交(jiao)變(bian)或重復應(ying)(ying)(ying)力(li)作(zuo)用(yong)的(de)高溫零件，也經常因疲勞(lao)而引(yin)起(qi)斷(duan)裂。由于在(zai)(zai)對(dui)稱交(jiao)變(bian)應(ying)(ying)(ying)力(li)作(zuo)用(yong)下(xia)，在(zai)(zai)張應(ying)(ying)(ying)力(li)期所產生的(de)伸長在(zai)(zai)一(yi)(yi)定程度上為(wei)以后(hou)壓應(ying)(ying)(ying)力(li)產生的(de)壓縮所抵消，所以一(yi)(yi)般只有在(zai)(zai)不對(dui)稱交(jiao)變(bian)應(ying)(ying)(ying)力(li)下(xia)其不對(dui)稱部分應(ying)(ying)(ying)力(li)才會引(yin)起(qi)蠕變(bian)。


  疲勞(lao)裂(lie)紋(wen)(wen)(wen)一(yi)(yi)(yi)般是(shi)由表面(mian)(mian)層或表面(mian)(mian)下某(mou)些缺陷形(xing)成的(de)(de)(de)。在(zai)(zai)交(jiao)變(bian)(bian)應(ying)(ying)力(li)作用(yong)下，裂(lie)紋(wen)(wen)(wen)逐漸(jian)擴大，直到剩(sheng)余的(de)(de)(de)斷(duan)面(mian)(mian)承受不了交(jiao)變(bian)(bian)應(ying)(ying)力(li)而(er)(er)發(fa)(fa)生突然(ran)斷(duan)裂(lie)。研究指出(chu)，在(zai)(zai)較低(di)(di)溫(wen)(wen)(wen)(wen)度下，疲勞(lao)裂(lie)紋(wen)(wen)(wen)是(shi)穿(chuan)晶的(de)(de)(de)，而(er)(er)在(zai)(zai)高(gao)(gao)溫(wen)(wen)(wen)(wen)下，疲勞(lao)裂(lie)紋(wen)(wen)(wen)沿晶界發(fa)(fa)展。裂(lie)紋(wen)(wen)(wen)從穿(chuan)晶型到沿晶型發(fa)(fa)展的(de)(de)(de)轉變(bian)(bian)溫(wen)(wen)(wen)(wen)度是(shi)隨(sui)應(ying)(ying)力(li)的(de)(de)(de)大小、應(ying)(ying)力(li)交(jiao)變(bian)(bian)頻率以及(ji)介質的(de)(de)(de)作用(yong)等因(yin)素(su)而(er)(er)改變(bian)(bian)的(de)(de)(de)。在(zai)(zai)交(jiao)變(bian)(bian)應(ying)(ying)力(li)條(tiao)件(jian)下，一(yi)(yi)(yi)般比靜拉伸測出(chu)的(de)(de)(de)穿(chuan)晶沿晶斷(duan)裂(lie)轉變(bian)(bian)溫(wen)(wen)(wen)(wen)度要高(gao)(gao)。增加交(jiao)變(bian)(bian)應(ying)(ying)力(li)的(de)(de)(de)頻率，該轉變(bian)(bian)溫(wen)(wen)(wen)(wen)度升高(gao)(gao)；由于(yu)化學介質的(de)(de)(de)作用(yong)，該轉變(bian)(bian)溫(wen)(wen)(wen)(wen)度降(jiang)得很(hen)低(di)(di)。另(ling)外，耐(nai)熱(re)鋼(gang)與合金在(zai)(zai)一(yi)(yi)(yi)定(ding)溫(wen)(wen)(wen)(wen)度下給定(ding)時間內的(de)(de)(de)疲勞(lao)破壞應(ying)(ying)力(li)是(shi)與同樣條(tiao)件(jian)下的(de)(de)(de)持久(jiu)(jiu)強(qiang)度之間有很(hen)好的(de)(de)(de)相關性(xing)，一(yi)(yi)(yi)般持久(jiu)(jiu)強(qiang)度越高(gao)(gao)，高(gao)(gao)溫(wen)(wen)(wen)(wen)疲勞(lao)強(qiang)度越高(gao)(gao)。


  研究結果表明，某(mou)材料(liao)在某(mou)一高溫(wen)下(xia)，108次高溫(wen)疲勞強(qiang)度是該(gai)溫(wen)度下(xia)高溫(wen)抗拉強(qiang)度的 1/2 。


  不(bu)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。


  熱膨脹系數越小(xiao)，在同一熱周(zhou)期作用下應(ying)變量越小(xiao)，變形抗力越小(xiao)和斷(duan)裂強(qiang)度(du)越高，持久壽(shou)命(ming)(ming)就越長。可以說(shuo)馬氏體型(xing)不銹鋼1Cr17的疲(pi)勞壽(shou)命(ming)(ming)最長，而0Cr19Ni9、0Cr23Ni13和2Cr25Ni20等奧氏體型(xing)不銹鋼的疲(pi)勞壽(shou)命(ming)(ming)最短。另外，鑄件較鍛(duan)件更易發生由(you)于熱疲(pi)勞引起的破壞。


  在室溫(wen)(wen)下(xia)，107次疲(pi)勞強(qiang)度(du)(du)是抗拉強(qiang)度(du)(du)的1/2。與(yu)高溫(wen)(wen)下(xia)的疲(pi)勞強(qiang)度(du)(du)相比可知，從室溫(wen)(wen)到高溫(wen)(wen)的溫(wen)(wen)度(du)(du)范圍內疲(pi)勞強(qiang)度(du)(du)沒(mei)有太大的差異。


  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


  伴隨(sui)著加熱(re)和冷卻，用(yong)于部件的(de)支撐(cheng)件，因熱(re)膨脹、熱(re)收(shou)縮受(shou)到約(yue)束(shu)時，這將阻(zu)礙材(cai)(cai)料的(de)脹縮變形，而產生(sheng)應力(li)。這種隨(sui)著溫(wen)度反復變化(hua)而引起應力(li)也反復變化(hua)，導致使材(cai)(cai)料損傷(shang)的(de)現象同(tong)樣為熱(re)疲(pi)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)，耐熱鋼與合金在一(yi)定(ding)溫度下給定(ding)時間內的(de)疲勞破壞(huai)應力(li)是與同(tong)樣條件下的(de)持(chi)久強度之間有很好的(de)相關性，一(yi)般持(chi)久強度越(yue)高，高溫疲勞強度越(yue)高。