金屬材料的疲勞分(fen)為高溫疲勞和(he)熱疲勞。


  高(gao)溫(wen)疲勞是指在(zai)高(gao)溫(wen)下，受交(jiao)變或(huo)重(zhong)復(fu)應(ying)力作用的(de)高(gao)溫(wen)零件，也(ye)經常因疲勞而引起斷裂的(de)現(xian)象稱為高(gao)溫(wen)疲勞。


  受(shou)交變(bian)(bian)或重復應(ying)(ying)力(li)作用的高溫零件，也(ye)經常因疲勞而(er)引起斷(duan)裂(lie)。由于在(zai)對(dui)稱交變(bian)(bian)應(ying)(ying)力(li)作用下，在(zai)張應(ying)(ying)力(li)期所(suo)產(chan)生的伸長在(zai)一定程度上(shang)為以后壓應(ying)(ying)力(li)產(chan)生的壓縮所(suo)抵消，所(suo)以一般只有在(zai)不對(dui)稱交變(bian)(bian)應(ying)(ying)力(li)下其(qi)不對(dui)稱部(bu)分應(ying)(ying)力(li)才(cai)會引起蠕變(bian)(bian)。


  疲勞(lao)裂(lie)紋(wen)一般是由表面層或表面下(xia)某些缺陷形成的(de)(de)。在交變(bian)(bian)應(ying)(ying)力(li)(li)作(zuo)用下(xia)，裂(lie)紋(wen)逐漸擴(kuo)大(da)，直到剩余的(de)(de)斷(duan)面承(cheng)受不了交變(bian)(bian)應(ying)(ying)力(li)(li)而發(fa)生突然斷(duan)裂(lie)。研(yan)究(jiu)指出(chu)，在較低溫(wen)(wen)度(du)下(xia)，疲勞(lao)裂(lie)紋(wen)是穿(chuan)晶的(de)(de)，而在高溫(wen)(wen)下(xia)，疲勞(lao)裂(lie)紋(wen)沿晶界發(fa)展。裂(lie)紋(wen)從穿(chuan)晶型(xing)到沿晶型(xing)發(fa)展的(de)(de)轉(zhuan)變(bian)(bian)溫(wen)(wen)度(du)是隨(sui)應(ying)(ying)力(li)(li)的(de)(de)大(da)小(xiao)、應(ying)(ying)力(li)(li)交變(bian)(bian)頻率以(yi)及介質的(de)(de)作(zuo)用等(deng)因素而改變(bian)(bian)的(de)(de)。在交變(bian)(bian)應(ying)(ying)力(li)(li)條件(jian)下(xia)，一般比靜(jing)拉(la)伸測出(chu)的(de)(de)穿(chuan)晶沿晶斷(duan)裂(lie)轉(zhuan)變(bian)(bian)溫(wen)(wen)度(du)要(yao)高。增加交變(bian)(bian)應(ying)(ying)力(li)(li)的(de)(de)頻率，該轉(zhuan)變(bian)(bian)溫(wen)(wen)度(du)升高；由于化學介質的(de)(de)作(zuo)用，該轉(zhuan)變(bian)(bian)溫(wen)(wen)度(du)降得很低。另外，耐(nai)熱鋼與合金(jin)在一定溫(wen)(wen)度(du)下(xia)給定時間內(nei)的(de)(de)疲勞(lao)破壞應(ying)(ying)力(li)(li)是與同樣條件(jian)下(xia)的(de)(de)持(chi)久強度(du)之間有很好的(de)(de)相關性，一般持(chi)久強度(du)越高，高溫(wen)(wen)疲勞(lao)強度(du)越高。


  研究(jiu)結果表明，某材料在某一高溫(wen)下，108次高溫(wen)疲勞強(qiang)度(du)(du)是該溫(wen)度(du)(du)下高溫(wen)抗拉強(qiang)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。


  熱膨脹系數越(yue)小，在同一(yi)熱周(zhou)期作用下應(ying)變(bian)量越(yue)小，變(bian)形抗(kang)力越(yue)小和斷裂強度(du)越(yue)高，持(chi)久壽(shou)(shou)命就越(yue)長。可以說馬氏(shi)體型(xing)不(bu)銹鋼(gang)(gang)1Cr17的(de)疲勞(lao)壽(shou)(shou)命最長，而0Cr19Ni9、0Cr23Ni13和2Cr25Ni20等奧(ao)氏(shi)體型(xing)不(bu)銹鋼(gang)(gang)的(de)疲勞(lao)壽(shou)(shou)命最短。另外，鑄件較鍛(duan)件更易發生由于熱疲勞(lao)引起(qi)的(de)破壞。


  在室(shi)溫(wen)(wen)(wen)下(xia)，107次(ci)疲(pi)勞強(qiang)度是抗(kang)拉強(qiang)度的1/2。與(yu)高溫(wen)(wen)(wen)下(xia)的疲(pi)勞強(qiang)度相比可知，從室(shi)溫(wen)(wen)(wen)到高溫(wen)(wen)(wen)的溫(wen)(wen)(wen)度范(fan)圍內(nei)疲(pi)勞強(qiang)度沒(mei)有(you)太大的差(cha)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


  伴隨著加熱和冷卻(que)，用于部件的(de)支撐件，因(yin)熱膨脹(zhang)、熱收縮(suo)受到約束時，這(zhe)將阻(zu)礙材料的(de)脹(zhang)縮(suo)變(bian)(bian)形，而產生(sheng)應力(li)。這(zhe)種(zhong)隨著溫度(du)反復變(bian)(bian)化(hua)而引起應力(li)也(ye)反復變(bian)(bian)化(hua)，導致(zhi)使材料損傷的(de)現象(xiang)同(tong)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，耐(nai)熱鋼(gang)與合金在一定溫(wen)度(du)下(xia)給定時間內(nei)的(de)疲勞(lao)破壞應力是與同樣條件下(xia)的(de)持久(jiu)(jiu)強度(du)之(zhi)間有(you)很好的(de)相關(guan)性，一般持久(jiu)(jiu)強度(du)越高(gao)(gao)，高(gao)(gao)溫(wen)疲勞(lao)強度(du)越高(gao)(gao)。