高温疲劳与热疲劳

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温度较高时的疲劳主要有高温疲劳与热疲劳。接下来将首先对比二者的区别、然后对高温疲劳和热疲劳分别进行简单介绍。

一、区别

高温疲劳与热疲劳是很容易混淆的两个名词，其实二者描述的是不同的现象。其区别主要有以下3个方面：

1、所受应力：高温疲劳所受应力为机械应力，热疲劳所受应力为热应力；

2、温度变化：高温疲劳的温度是恒定的，热疲劳的温度和应力都是变化的；

3、疲劳强度：材料的热疲劳强度比相同温度下的高温疲劳强度低（原因：热疲劳的温度变化除产生热应力外，还引起材料内部组织变化，并且在温度差大的地方产生较高的塑性应变集中）。

二、高温疲劳

高温疲劳可以分为低于蠕变温度的高温疲劳和高于蠕变温度（见文末Note1和Note2）的高温疲劳。

低于蠕变温度但高于室温时，金属的疲劳强度一般比室温下有所降低，但降低不多；高于蠕变温度后，疲劳强度急剧下降，且往往是疲劳与蠕变的联合作用。

接下来将从高温疲劳性能、疲劳强度影响因素和寿命估算等方面进行简单介绍。

1、金属的高温疲劳性能，主要有以下5个知识点：

(1)、许多金属的高温疲劳强度之所以降低，是由于表面受到大气的氧化或化学侵蚀。在高温疲劳和蠕变中，氧化起着关键的作用。

(2)、在高温下形成的保护性氧化膜可以提高疲劳性能，但它们可能由于反复滑移而破裂，使高温下的裂纹萌生寿命大大缩短。裂纹扩展速率也会因高温介质的氧化作用而加速。

(3)、随着温度的升高，晶界会被弱化，更易发生晶界开裂。这也是高温疲劳强度降低的重要原因。

(4)、金属在高温下通常没有疲劳极限（铸铁除外），疲劳强度随寿命的增加不断降低，S-N曲线没有水平段。

(5)、一般，除软钢和铸铁外，其他金属的疲劳强度均随温度的提高而降低。这种反常现象是由循环应变时效引起的。

2、金属高温疲劳强度的影响因素，主要有以下4个方面：

(1)、加载频率：由于蠕变作用，加载频率对高于蠕变温度的高温疲劳性能有显著影响。频率降低，蠕变作用加强，使其疲劳强度和寿命降低、疲劳裂纹扩展速率增加。

如对于304不锈钢高温下的ε-N曲线，随温度的升高和频率的降低而不断降低，温度越高，频率的影响越大。

(2)、应力集中：在以疲劳为主的条件下，高温下缺口是有害的。但是在以蠕变为主的条件下，缺口可以使以净截面计的强度降低或升高。因此，蠕变与疲劳有不同的缺口效应。

总体来说，金属在高温下，由于缺口处产生局部塑性变形、蠕变和表面氧化现象，缺口敏感性较室温下低。

(3)、表面状态：表面加工对疲劳强度的影响随温度的升高而降低。磨削的有害作用和喷丸的有利作用均随温度的升高而降低。

(4)、平均应力：如对钴基高温合金而言，随着温度的升高，蠕变强度和疲劳强度都降低。

3、高温疲劳寿命估算方法：现在应用较广泛的是累积损伤法和应变范围划分法（如将非弹性应变分为塑性应变和蠕变应变）。

三、热疲劳

温度循环变化产生的循环热应力所导致的疲劳称为热疲劳。

下面将从热应力相关知识、疲劳裂纹扩展以及热疲劳寿命估算和试验方法等方面进行简单介绍。

1、热应力相关知识

在零部件中产生热应力的原因主要有以下4个方面：

(1)、零部件热胀冷缩受到固定或夹持件的外加约束。

(2)、两个组装件之间具有温度差。

(3)、零部件中有温度梯度，导致各部位热胀冷缩不一样。

(4)、线膨胀系数不同的材料相组合。

影响热应力大小的因素主要有4个：

(1)、热应力与热胀系数成正比，热胀系数越大，热应力越大。

(2)、在相同的热应变下，材料的弹性模量越大，热应力越大。

(3)、上下限温度差越大，热应力越大。

(4)、当热应力是因骤热骤冷引起的温度梯度产生的时，热导率越小、热应力越大；当热应力是因材料受到约束产生的时，热导率无关紧要。

2、热疲劳裂纹扩展

热疲劳裂纹由表面开始，形成过程为：缺口根部先产生不均匀的塑性变形，出现一些微小的凹凸，然后在塑性形变最大的部位形成一些楔形微裂纹，其中充满了氧化腐蚀物。此后，其中的一条微裂纹发展成主裂纹，其余裂纹因热应力松弛不再扩展。

热疲劳主要是晶间断裂，裂纹附近有晶粒碎化现象。疲劳区断口呈暗灰色，其微观形貌具有氧化膜龟裂时特有的花朵状花样，清洗后可观察到疲劳裂纹扩展条痕和腐蚀坑。

3、热疲劳寿命估算和试验方法

热疲劳可以看作是温度周期变化下的低周疲劳，其疲劳寿命可以使用Manson-Coffin方程估算。

热疲劳的试验方法可以分为定性法、定量法和实物法。

蠕变是指固体材料在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象。它与塑性变形不同，塑性变形通常在应力超过弹性极限之后才出现，而蠕变只要应力的作用时间相当长，它在应力小于弹性极限施加的力时也能出现。由于蠕变，材料在某瞬时的应力状态，一般不仅与该瞬时的变形有关，而且与该瞬时以前的变形过程有关。

Note2、蠕变温度：

蠕变温度约等于(0.3~0.5)*T_m，T_m是以热力学温度计的金属熔点。