金屬材料的疲勞分為高溫疲勞和熱疲勞。


  高溫疲勞是指在高溫下,受交變或重復(fù)應(yīng)力作用的高溫零件,也經(jīng)常因疲勞而引起斷裂的現(xiàn)象稱為高溫疲勞。


  受交變或重復(fù)應(yīng)力作用的高溫零件,也經(jīng)常因疲勞而引起斷裂。由于在對(duì)稱交變應(yīng)力作用下,在張應(yīng)力期所產(chǎn)生的伸長在一定程度上為以后壓應(yīng)力產(chǎn)生的壓縮所抵消,所以一般只有在不對(duì)稱交變應(yīng)力下其不對(duì)稱部分應(yīng)力才會(huì)引起蠕變。


  疲勞裂紋一般是由表面層或表面下某些缺陷形成的。在交變應(yīng)力作用下,裂紋逐漸擴(kuò)大,直到剩余的斷面承受不了交變應(yīng)力而發(fā)生突然斷裂。研究指出,在較低溫度下,疲勞裂紋是穿晶的,而在高溫下,疲勞裂紋沿晶界發(fā)展。裂紋從穿晶型到沿晶型發(fā)展的轉(zhuǎn)變溫度是隨應(yīng)力的大小、應(yīng)力交變頻率以及介質(zhì)的作用等因素而改變的。在交變應(yīng)力條件下,一般比靜拉伸測(cè)出的穿晶沿晶斷裂轉(zhuǎn)變溫度要高。增加交變應(yīng)力的頻率,該轉(zhuǎn)變溫度升高;由于化學(xué)介質(zhì)的作用,該轉(zhuǎn)變溫度降得很低。另外,耐熱鋼與合金在一定溫度下給定時(shí)間內(nèi)的疲勞破壞應(yīng)力是與同樣條件下的持久強(qiáng)度之間有很好的相關(guān)性,一般持久強(qiáng)度越高,高溫疲勞強(qiáng)度越高。


  研究結(jié)果表明,某材料在某一高溫下,108次高溫疲勞強(qiáng)度是該溫度下高溫抗拉強(qiáng)度的 1/2 。


  不銹鋼的成分和熱處理?xiàng)l件對(duì)高溫疲勞強(qiáng)度有直接影響。特別是當(dāng)碳的含量增加時(shí)高溫疲勞強(qiáng)度明顯提高,固溶熱處理溫度對(duì)高溫疲勞強(qiáng)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(dāng)含硅量高且在高溫下具有良好延伸性的牌號(hào)的鋼種,有著良好的熱疲勞性能。


  熱膨脹系數(shù)越小,在同一熱周期作用下應(yīng)變量越小,變形抗力越小和斷裂強(qiáng)度越高,持久壽命就越長。可以說馬氏體型不銹鋼1Cr17的疲勞壽命最長,而0Cr19Ni9、0Cr23Ni13和2Cr25Ni20等奧氏體型不銹鋼的疲勞壽命最短。另外,鑄件較鍛件更易發(fā)生由于熱疲勞引起的破壞。


  在室溫下,107次疲勞強(qiáng)度是抗拉強(qiáng)度的1/2。與高溫下的疲勞強(qiáng)度相比可知,從室溫到高溫的溫度范圍內(nèi)疲勞強(qiáng)度沒有太大的差異。


  熱疲勞可能使噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)或汽輪機(jī)(透平機(jī))的葉片等造成破壞。用所測(cè)定出來的數(shù)據(jù)繪制出的曲線,稱為S-N曲線,見圖4-3,它可作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。不銹鋼的化學(xué)成分或熱處理,在蠕變時(shí)同樣會(huì)影響到高溫疲勞強(qiáng)度。06Cr18Ni11Nb(347),06Cr18Ni11Ti(321)因?yàn)榫邆涓邷靥匦?,用途較廣,但在700℃上下的積層缺陷上,在析出微細(xì)的NbC,TiC硬化物的背面,容易發(fā)生脆性晶間裂紋,而引起疲勞強(qiáng)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、熱收縮受到約束時(shí),這將阻礙材料的脹縮變形,而產(chǎn)生應(yīng)力。這種隨著溫度反復(fù)變化而引起應(yīng)力也反復(fù)變化,導(dǎo)致使材料損傷的現(xiàn)象同樣為熱疲勞。


  研究認(rèn)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?yàn)榍罢呔€膨脹系數(shù)小,在同樣的一個(gè)熱循環(huán)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,耐熱鋼與合金在一定溫度下給定時(shí)間內(nèi)的疲勞破壞應(yīng)力是與同樣條件下的持久強(qiáng)度之間有很好的相關(guān)性,一般持久強(qiáng)度越高,高溫疲勞強(qiáng)度越高。