[科普中国]-高温疲劳

概述

当机件在高温下承受交变载荷作用，经过较长时间而发生断裂的现象，称为高温疲劳。而蠕变是机件在高温长时载荷作用下发生的塑性变形。疲劳是反复蠕变的必然结果，蠕变是疲劳的前提。所以，如果机件在高温下承受交变载荷作用，到底选用何种性能指标来评定材料，应根据机件在服役温度和有效寿命下，蠕变极限、持久强度极限和高温疲劳极限中哪一个数值最低来确定。通常，光滑试样的高温疲劳极限大于蠕变极限，持久强度极限也较低；在温度较低时，情况则相反(如图4.21和图4.22所示)，因此，高温下应优先考虑材料的持久强度极限和蠕变极限。但缺口试样的高温疲劳极限远低于蠕变极限。此外，蠕变极限、持久强度极限与高温疲劳极限的相对大小，因温度、应力水平和零件形状的不同而变化，这些因素在评定材料时都要考虑。所以应根据机件的具体服役条件，确定选用何种力学性能来评定材料。1

高温疲劳机理材料在高温循环载荷作用下，疲劳寿命随加载频率降低、拉应变保持时间增加和温度升高而降低的现象归因于疲劳-蠕变-环境的交互作用。蠕变损伤过程是在静荷循环应力(应变)作用下，晶界裂纹或空洞萌生、长大和连结的过程。晶界滑动是晶界空洞和裂纹萌生的先决条件，但是，空洞和裂纹的长大及蠕变断裂却有两种不同的观点。高温下由于晶界相对被弱化，在外载荷作用下，晶界发生滑动。但由于晶界不是平直光滑的，晶界可能存在夹杂物，如果晶界与滑移带、亚晶界相交将形成台阶，因而晶界滑动将在这些不连续的部位及三晶粒交汇处产生应力集中，裂纹或空洞即在这些应力集中部位萌生。当外加应力较低、温度较高时，晶界应力集中通过原子扩散和蠕变而被松弛，空洞的长大和蠕变断裂是通过空穴向垂直于外力的晶界聚集过程完成的。当应力较高、应变速率较大、温度较低时，晶界滑动引起的应力集中不会被松弛，晶界上已经形成的裂纹将继续通过晶界滑动方式而生长。对于高温疲劳失效，上述蠕变损伤机制仍然有效。

研究表明，纯金属和固溶合金中，晶界上没有第二相存在，晶界容易滑动，裂纹(空洞)主要在与外应力轴成45。的那些晶界上形成，表明裂纹(空洞)的形成与晶界滑动有关。一个值得注意的结果是只有当频率超过某临界值时才能观察到晶界裂纹(空洞)，低于临界频率无裂纹(空洞)形成。

20世纪70年代以来，已广泛研究了加载频率和保持时间对高温工程合金高温疲劳行为的影响。这些高温合金主要是不锈钢和镍基超合金。结果表明，在真空中，晶界空洞和蠕变断裂只有当循环加载频率低于某临界值时才发生，有腐蚀性介质存在时，临界频率增大，疲劳寿命降低。与纯金属和固溶合金高频率疲劳试验结果不同，高温工程合金在高温循环载荷作用下，空洞形成于与外应力轴垂直的晶界上。若循环波形为梯形波，保持时间短时，保持时间的影响与连续的平衡循环降低频率的影响相同，即相同的断裂时间对应于相同的循环时间而与波形无关；保持时间长时，与连续平衡循环相比，在相同的循环时间内，前者比后者造成更大的损伤。

上述两温疲劳裂纹和空洞形成与频率关系显示的一些相互矛盾的试验结果归因于空洞和裂纹形成的机理不同。对于晶界容易滑动的纯金属和固溶合金，裂纹(空洞)形成于晶界滑动所引起的应力集中部位；对于高温工程合金，空洞形成于发生应力松弛的晶界。对于前者，只有当频率超过某一临界频率，晶界的迁移来不及使晶界应力集中发生松弛时，裂纹(空洞)才能形成。对于后者，空洞是由空穴聚集形成的，其临界频率对应于稳定空洞萌生的孕育期。在循环载荷作用下，频率高时，在加载期间只能形成尺寸较小的不稳定空洞，在反向加载过程中，这些空洞将通过空穴的扩散而消失；只有当频率低于临界值时，才可能形成稳定的空洞核心。

氧化和腐蚀环境能引起循环加载过程中表面滑移台阶的钝化，并通过下述机制促进蠕变损伤的发生：

(1)空洞表面吸附氧降低了表面能，因而减小了稳定空洞的临界尺寸；

(2)氧与晶界元素发生反应，形成的氧化物像楔子一样嵌入晶界，增大了作用在晶界上的拉应力。

(3)晶界上氧化物的形成降低了晶界聚合力，促进了晶界扩散，使形成晶界稳定空洞的临界频率增大。

(4)空气中，高温疲劳的晶界空洞还可能以另外的方式萌生。如果氧与晶界元素的反应产物是气体，那么这些气体在晶界上以气泡形式存在，由于这些气泡具有很高的内压力，它们将成为稳定的空洞核心促进蠕变损伤的过程。

上述反应既加速了疲劳裂纹的萌生，也加速了疲劳裂纹的扩展2

高温疲劳特点生产中有许多机器零件是在高温和交变载荷作用下工作。如汽轮机、燃气轮机的叶轮和叶片，柴油机的排气阀等，容易产生高温疲劳破坏。高温疲劳具有以下特点:

(1)高温疲劳的疲劳曲线不出现水平部分，疲劳强度随循环周次增加不断降低。因此，高温下的材料疲劳强度用规定循环周次下的疲劳强度表示，一般取5×107或108次。

(2)高温疲劳总伴随蠕变发生，温度越高蠕变所占比例越大，疲劳和蠕变交互作用也越强烈。不同材料显著发生蠕变的温度不同，一般当材料温度超过0.3Tm时蠕变显著发生，使材料的疲劳强度急剧降低。例如碳钢温度超过300～350℃，合金钢温度超过350～400℃时发生蠕变，引起材料的疲劳极限急剧降低。

(3)高温下疲劳极限与蠕变极限、持久极限的关系对高温工作的零件具有重要的意义。实验表明，在较低温度时材料的蠕变极限、持久强度比疲劳极限高，而在高温时材料的蠕变极限、持久强度和疲劳极限均下降。但前两者的下降速度远高于后者，如图所示。材料的蠕变极限随温度变化曲线1与疲劳极限随温度变化曲线2相交于一点，说明当温度低于此点对应温度时，材料以疲劳破坏为主，高于此温度时以蠕变破坏为主。

此外，高温疲劳对加载频率有较高的敏感性，随着加载频率的降低，材料的疲劳寿命和疲劳极限均会降低，因为加载频率降低相当于延长了荷载作用时间，有利于蠕变损伤的扩展。3

材料在高温下的疲劳行为温度升高影响材料的滑移，使晶界强度降低，并加速氧化速率，从而影响裂纹萌生过程。由于高温下位错易攀移，因而易产生交滑移。对于层错能低的材料，温度升高能促进持久滑移带形成，因而加速表面疲劳裂纹的萌生。在蠕变温度范围内，温度升高或在恒温下，随着应变速率的降低，相对奥氏体不锈钢基体来说，晶界被弱化了。因此，温度较低时(25～400℃)，奥氏体不锈钢疲劳裂纹以穿晶方式萌生；但在较高温度下(650～835℃)，裂纹在晶界萌生。随着温度的升高，其他耐热合金也发生类似的穿晶裂纹向晶界裂纹的转变。在空气中，晶界弱化归因于蠕变损伤和晶界氧化的综合作用，哪个因素是控制因素取决于循环波形。如果材料承受连续的对称循环应变，晶界弱化主要归因于晶界氧化。例如，在循环应变作用下，高温真空疲劳试验结果表明，铸造的Udimet500合金和304不锈钢裂纹都在晶粒内萌生；而在空气中，相同温度下，两种合金的疲劳裂纹都萌生于晶界。在不对称的慢-快和带有拉应变保持时间的循环应变作用下，不论在真空中还是在空气中，304不锈钢高温疲劳裂纹都萌生于晶界。表明蠕变损伤引起的晶界弱化是影响疲劳裂纹萌生抗力的主要因素。

除了循环波形外，材料的化学成分、显微组织和环境也对高温疲劳行为有显著影响。高温疲劳是一个复杂的课题，涉及疲劳、蠕变和环境影响等几个与时间有关的过程的交互作用，这些过程在高温疲劳损伤中的相对作用随具体材料而异。尽管对各种高温合金，如镍基超合金、低合金铁素体钢和300系列不锈钢的高温疲劳行为已经进行了广泛的研究，但是上述三个微观机理在高温疲劳中的作用仍需大量的研究工作加以澄清。

室温具有明显疲劳极限的钢铁材料，当温度超过420℃时，不再存在确定的疲劳极限。疲劳是材料的局部损伤过程，这种损伤集中于表面，而蠕变是由材料内部的各个局部变形及全部损伤引起的。2.25Cr-1Mo钢处于淬火回火高强度组织状态下，蠕变强度较低，其高温疲劳强度主要取决于拉应变保持时间内造成的蠕变损伤；在退火组织状态下，表面氧化膜的形成和龟裂是决定其高温疲劳强度的主要因素，而蠕变损伤相对来说可能是次要的。

高温氧化明显地影响材料的疲劳行为，影响的大小取决于材料、加载频率和波形。细化晶粒和晶界弥散沉淀能延长材料的高温疲劳寿命。但是，这种影响取决于加载波形和应变速率。应变速率较高时，晶粒度对连续应变循环低周疲劳性能基本上没有什么影响。2