金屬材料的疲(pi)勞分(fen)為高溫(wen)疲(pi)勞和熱疲(pi)勞。


  高(gao)溫疲(pi)勞是(shi)指在(zai)高(gao)溫下，受交變或重復應力作用的(de)高(gao)溫零件，也經常因疲(pi)勞而(er)引起斷(duan)裂的(de)現象稱為高(gao)溫疲(pi)勞。


  受交變(bian)或重復應(ying)力(li)作(zuo)用(yong)的高溫零(ling)件，也經常因疲勞而(er)引起(qi)斷(duan)裂(lie)。由于在對稱(cheng)交變(bian)應(ying)力(li)作(zuo)用(yong)下，在張應(ying)力(li)期所產生(sheng)的伸長在一(yi)定程度上(shang)為以(yi)(yi)后壓應(ying)力(li)產生(sheng)的壓縮所抵消，所以(yi)(yi)一(yi)般(ban)只有在不對稱(cheng)交變(bian)應(ying)力(li)下其(qi)不對稱(cheng)部分應(ying)力(li)才會(hui)引起(qi)蠕變(bian)。


  疲(pi)勞(lao)裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)(wen)一般是(shi)由表面(mian)層或表面(mian)下(xia)(xia)(xia)(xia)(xia)某些缺陷形成(cheng)的(de)(de)(de)。在(zai)(zai)交變(bian)應(ying)(ying)力(li)作(zuo)用(yong)下(xia)(xia)(xia)(xia)(xia)，裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)(wen)逐漸擴大(da)，直到剩余的(de)(de)(de)斷(duan)面(mian)承受不了交變(bian)應(ying)(ying)力(li)而發生突然斷(duan)裂(lie)(lie)。研究指(zhi)出(chu)，在(zai)(zai)較低溫(wen)(wen)度(du)下(xia)(xia)(xia)(xia)(xia)，疲(pi)勞(lao)裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)(wen)是(shi)穿(chuan)晶(jing)的(de)(de)(de)，而在(zai)(zai)高溫(wen)(wen)下(xia)(xia)(xia)(xia)(xia)，疲(pi)勞(lao)裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)(wen)沿晶(jing)界(jie)發展。裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)(wen)從穿(chuan)晶(jing)型到沿晶(jing)型發展的(de)(de)(de)轉(zhuan)變(bian)溫(wen)(wen)度(du)是(shi)隨應(ying)(ying)力(li)的(de)(de)(de)大(da)小(xiao)、應(ying)(ying)力(li)交變(bian)頻率(lv)以及介質(zhi)的(de)(de)(de)作(zuo)用(yong)等(deng)因素(su)而改變(bian)的(de)(de)(de)。在(zai)(zai)交變(bian)應(ying)(ying)力(li)條(tiao)件(jian)下(xia)(xia)(xia)(xia)(xia)，一般比靜(jing)拉(la)伸測出(chu)的(de)(de)(de)穿(chuan)晶(jing)沿晶(jing)斷(duan)裂(lie)(lie)轉(zhuan)變(bian)溫(wen)(wen)度(du)要高。增加交變(bian)應(ying)(ying)力(li)的(de)(de)(de)頻率(lv)，該(gai)轉(zhuan)變(bian)溫(wen)(wen)度(du)升高；由于化學介質(zhi)的(de)(de)(de)作(zuo)用(yong)，該(gai)轉(zhuan)變(bian)溫(wen)(wen)度(du)降(jiang)得很低。另外(wai)，耐熱(re)鋼與合金(jin)在(zai)(zai)一定(ding)溫(wen)(wen)度(du)下(xia)(xia)(xia)(xia)(xia)給定(ding)時間內的(de)(de)(de)疲(pi)勞(lao)破壞應(ying)(ying)力(li)是(shi)與同樣條(tiao)件(jian)下(xia)(xia)(xia)(xia)(xia)的(de)(de)(de)持(chi)久強(qiang)度(du)之間有很好的(de)(de)(de)相關性，一般持(chi)久強(qiang)度(du)越(yue)高，高溫(wen)(wen)疲(pi)勞(lao)強(qiang)度(du)越(yue)高。


  研究結果表明，某材料在某一(yi)高溫(wen)(wen)下，108次(ci)高溫(wen)(wen)疲(pi)勞(lao)強度是該溫(wen)(wen)度下高溫(wen)(wen)抗(kang)拉(la)強度的(de) 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。


  熱膨脹系數越小，在同一熱周期作(zuo)用下應變(bian)量越小，變(bian)形抗(kang)力越小和斷裂強度越高，持(chi)久壽命就(jiu)越長(chang)。可以(yi)說馬氏體(ti)型(xing)不銹(xiu)鋼(gang)1Cr17的(de)疲勞(lao)壽命最(zui)長(chang)，而0Cr19Ni9、0Cr23Ni13和2Cr25Ni20等奧氏體(ti)型(xing)不銹(xiu)鋼(gang)的(de)疲勞(lao)壽命最(zui)短。另外，鑄件較(jiao)鍛件更易發生由于(yu)熱疲勞(lao)引起的(de)破壞。


  在室(shi)(shi)溫(wen)下，107次疲(pi)(pi)(pi)勞(lao)強(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)是(shi)抗(kang)拉強(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)的(de)(de)1/2。與高(gao)溫(wen)下的(de)(de)疲(pi)(pi)(pi)勞(lao)強(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)相比(bi)可知，從室(shi)(shi)溫(wen)到高(gao)溫(wen)的(de)(de)溫(wen)度(du)(du)(du)范圍內(nei)疲(pi)(pi)(pi)勞(lao)強(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)沒有太(tai)大(da)的(de)(de)差異(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(sui)著加熱和冷卻，用于部件的支撐件，因(yin)熱膨脹、熱收縮(suo)受到(dao)約束時，這(zhe)將(jiang)阻礙材料(liao)(liao)的脹縮(suo)變(bian)形，而產生應力(li)。這(zhe)種(zhong)隨(sui)著溫度反復變(bian)化(hua)而引起應力(li)也反復變(bian)化(hua)，導致使材料(liao)(liao)損(sun)傷的現象同樣為熱疲勞(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。


  另外，耐熱(re)鋼(gang)與合(he)金在一定溫度(du)下給定時(shi)間(jian)(jian)內(nei)的(de)疲勞(lao)(lao)破壞應(ying)力是與同樣條件下的(de)持久強度(du)之間(jian)(jian)有很好的(de)相關性(xing)，一般持久強度(du)越(yue)高，高溫疲勞(lao)(lao)強度(du)越(yue)高。