高溫疲勞可以分為低于蠕變溫度的高溫疲勞和高于蠕變溫度的高溫疲勞。蠕變溫度為（0.3-0.5）
，為以熱力學溫度計的金屬熔點。高于室溫、但低于蠕變溫度時，金屬的疲勞強度雖然比室溫下有所降低，但降低不多。高于蠕變溫度以后，疲勞強度急劇下降，并且往往是疲勞與蠕變聯(lián)合作用。
許多金屬的高溫疲勞強度之所以較低，是因為表面受到大氣的氧化或化學侵蝕。在高溫疲勞和蠕變中，氧化起著關(guān)鍵作用。在高溫下形成的保護性氧化膜可以提高其疲勞性能，但是它們可能由于反復滑移而破裂，從而使高溫下的裂紋萌生壽命大大縮短。裂紋擴展速率也會因高溫介質(zhì)的氧化作用而加速。再者，隨著溫度的升高晶界弱化，更易發(fā)生晶界開裂，這也是高溫疲勞強度降低的一個重要原因。
一、金屬的高溫疲勞性能
金屬在高溫下通常沒有疲勞極限（鑄鐵除外），疲勞強度隨壽命的增加而不斷降低，S-N 曲線沒有水平段。部分鋼鐵材料的高溫疲勞強度見表1。
表1 部分鋼鐵材料的高溫疲勞強度
福雷斯特（Forrest）研究了高溫對許多材料長壽命疲勞強度的影響，得出了溫度對金屬材料疲勞強度的影響，如圖1所示，給高溫下金屬疲勞強度的變化情況勾畫出了一個較全面的輪廓。
圖1 溫度對金屬材料疲勞強度的影響
1--鈦合金（含鋁的鈦合金） 2--Ni-CrMo鋼
3--低碳鋼（0.17%C） 4--鋁銅合金
5--鋁鋅鎂合金 6--高強度鑄鐵
7--鎂鋁鋅合金 8--鎂鋁鋯釷合金
9--銅鎳合金（30%Ni,0.5%Cr,1.5%Al，其余Cu）
10--銅鎳合金（30%Ni, 1%Mn,1%Fe，其余Cu）
11--合金鋼（2.7%Cr, 0.5%Mo,0.75%V, 0, 5%W）
12--奧氏體鎳絡鉬鋼
13--奧氏體鋼（18.75%Cr, 12.0%Ni,1.25%Nb）
14--合金鋼（11.6%Cr，0.6% Mo, 0.3%V,0.25%Nb）
15--奧氏體鋼（13%Cr,13%Ni,10%Co）
16--鈷合金（19%Cr，12%Ni, 4.5%Co）
17--奧氏體鋼（18%Cr,10%Ni,2%Mo）
18--鎳鉻合金（15%Cr,20%Co，1.2%Ti，4.5%Al,5%Mo，其余 Ni）
19--鎳鎘合金（20%Cr, 18% Co, 2.4%Ti, 1.4%Al，其余 Ni）
注：材料中各元素百分數(shù)都是質(zhì)量分數(shù)。
圖1可以看出：鋁合金和鎂合金只適用于200~300℃的溫度；低碳鋼在300~400℃疲勞強度達到最大值；高強度鑄鐵在450℃以下疲勞強度略有升高；低合金鋼在低于500℃的溫度下能保持很高的疲勞強度；當溫度超過600℃以后，奧氏體鋼的疲勞性能比碳鋼和低合金鋼好；當工作溫度超過750℃以后，鐵基合金被鎳基合金或鈷基合金所取代。從圖中還可看出，除低碳鋼和鑄鐵以外，其他金屬的疲勞強度均隨溫度的提高而降低。低碳鋼和鑄鐵的這種反?，F(xiàn)象是由循環(huán)應變時效引起的。
高溫合金在不同溫度下的疲勞極限和疲勞比見表2。葉片鋼的疲勞極限（N=
周次）見表3。
表2 高溫合金在不同溫度下的疲勞極限和疲勞比
表3 葉片鋼的疲勞極限（N=周次）
二、影響金屬高溫疲勞性能的因素
主要有加載頻率、應力集中、表面狀態(tài)、平均應力等因素。
1、由于蠕變作用，加載頻率對高于蠕變溫度的高溫疲勞性能有顯著影響。頻率降低，蠕變的作用加強，從而使其疲勞強度和壽命降低，疲勞裂紋擴展速率增加。304不銹鋼的典型高溫ε-N 曲線如圖2 所示：
圖2 304不銹鋼的典型高溫ε-N曲線
1--頻率f=10/min，溫度t=430℃
2--頻率f=10-³/min，溫度t=430℃
3--頻率f=10/min，溫度t=650℃
4--頻率f=10/min，溫度t=816℃
5--頻率f=10-³/min，溫度t=650℃
6-- 頻率f=10-³/min，溫度t=816℃
從該圖可以看出，高溫下的ε-N曲線，隨溫度的升高和頻率的降低而不斷降低，溫度越高，頻率的影響越大。頻率對鋼［ω(C)=0.17%］450°C時拉-壓疲勞極限的影響，如圖3 所示：
圖3 頻率對鋼[w( C)=0.17%]450℃時拉-壓疲勞極限的影響
1—試驗頻率f=2000/min 2—試驗頻率f=125/min 3—試驗頻率f=10/min
從該圖可以看出，頻率越高，高溫疲勞強度和高溫疲勞壽命越低。
2、在以疲勞為主的條件下，高溫下缺口是有害的。但是，在以蠕變?yōu)橹鞯臈l件下，缺口可以使以凈截面計的強度降低或升高。因此，蠕變與疲勞有不同的峽口效應。
但總的說來，金屬在高溫下，由于缺口處產(chǎn)生局部塑性變形、蠕變和表面氧化現(xiàn)象，缺口敏感性較室溫下低。缺口對兩種合金不同溫度下疲勞極限等數(shù)據(jù)的影響見表4。
表4 缺口對兩種合金不同溫度下疲勞極限等數(shù)據(jù)的影響
3、表面加工對疲勞強度的影響隨溫度的上升而降低。各種加工工藝對鎳基合金（CrNi77TiAl）試樣疲勞壽命的影響見表5。
表5
注：電拋光試樣的壽命設為100%。
4、圖4所示為鈷基高溫合金S-816在100h 壽命或2.16×周次循環(huán)下，有平均拉應力時的等壽命曲線。由該圖可以看出，隨著溫度的升高，整條曲線向原點移動，即蠕變強度和疲勞強度都降低。對于光滑試樣，高溫下的平均應力影響可用下面的橢圓方程表示：
式中
為應力幅（MPa）；
為平均應力（MPa）；
為對稱彎曲疲勞極限（MPa）；
為蠕變斷裂強度（MPa）。
對于缺口試樣，平均應力的影響服從Gerber拋物線或Goodman直線。
圖4
1--光滑試樣，t=24℃
2--缺口試樣（
=3.4），t=24℃
3--光滑試樣，t=732℃
4--缺口試樣（=3.4），t=732℃
5--光滑試樣，t=816℃
6--缺口試樣（=3.4），t=816℃
7--光滑試樣，t=900℃
8--缺口試樣：（=3.4），t=900℃
A點—900℃ B點—816℃
C點—732℃ D點—24℃
三、熱應力與熱疲勞
溫度循環(huán)變化產(chǎn)生的循環(huán)熱應力所導致的疲勞稱為熱疲勞，在零構(gòu)件中產(chǎn)生熱應力的原因很多。
1、零構(gòu)件的熱脹冷縮受到固定或夾持件的外加約束。
2、兩組裝件之間具有溫差。
3、零構(gòu)件中具有溫度梯度，導致各部位熱脹冷縮不一致。
4、線脹系數(shù)不同的材料相組合（如線脹系數(shù)不同的材料相焊接）。
影響熱應力大小的因素有：
1、熱應力與熱脹系數(shù)成正比，熱脹系數(shù)越大，熱應力越大。
2、在相同的熱應變下，材料的彈性模量越大，熱應力越大。
3、上下限溫度差越大，熱應力越大。
4、當熱應力是因驟熱驟冷引起的溫度梯度產(chǎn)生時，熱導率越小，熱應力越大。當熱應力是因材料受到約束產(chǎn)生時，熱導率無關(guān)緊要。
熱疲勞裂紋由表面起始，其形成過程為：缺口根部首先產(chǎn)生不均勻的塑性形變，出現(xiàn)一些微小的凹凸，然后在塑性形變最大的部位形成一些楔形微裂紋，裂紋中充滿了氧化腐蝕物。此后，其中的一條微裂紋發(fā)展成為主裂紋，其余裂紋因熱應力松弛而不再擴張。
熱疲勞主要是晶間斷裂，裂紋附近有晶粒碎化現(xiàn)象。疲勞區(qū)斷口呈暗灰色，其微觀形貌具有氧化膜龜裂時特有的花朵狀花樣，清洗后可以觀察到疲勞裂紋擴展條痕及腐蝕坑。
熱疲勞與高溫疲勞的主要區(qū)別，除了前者受熱應力、后者受機械應力以外，高溫疲勞的溫度是恒定的，而熱疲勞的溫度和應力都是變化的。溫度變化除產(chǎn)生熱應力以外，還引起材料內(nèi)部組織變化，并且在溫度差大的地方還產(chǎn)生較高的塑性應變集中。因此，材料的熱疲勞強度比相同溫度下的高溫疲勞強度低。熱疲勞曲線與高溫疲勞曲線的比較，如圖5所示。
圖5 熱疲勞曲線與高溫疲勞曲線的比較高溫疲勞
1--200℃ 2--500℃ 3--700℃
熱疲勞：4--500～200℃ 5--600～200℃
6--700～300℃ 7--700～200℃
8--700～100℃ 9--800~300℃
文章來源：摘自《失效分析與案例》 楊建軍著
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