高温环境下的疲劳问题分析：热疲劳、高温疲劳和热冲击

在循环应力及高温作用下，材料会发生高温疲劳破坏。常温下材料的疲劳寿命（断裂之前的循环周次）几乎不受加载频率的影响。在蠕变变形下，加载速度越低，以循环周次表示的疲劳寿命越小，但以时间表示的寿命几乎不变。因此，常温下的疲劳是循环周次起主导作用（cycle-dependent）的疲劳，而高温疲劳是加载时间起主导作用（time-dependent）的疲劳。有平均应力作用时，材料会产生较大的蠕变，称为动态蠕变（dynamic creep），相应的蠕变曲线与静载时相似。在常温疲劳中，应力振幅是影响疲劳强度和材料寿命的第一要素；在高温疲劳中，平均应力（静应力）起主导作用。随着温度的升高，表面滑移带形核转向晶界形核，疲劳裂纹扩展区呈现出疲劳辉纹和沿晶破坏混合的形态，其断面如图7-14所示。

图7-14　18-8不锈钢高温疲劳断面显微照片［7］

（a）断面；（b）疲劳辉纹；（c）韧窝

在疲劳辉纹区（见图7-14（b）），裂纹扩展受K主导，而在沿晶破坏区（见图7-14（c）），蠕变裂纹的扩展由修正J积分控制。(www.xing528.com)

高温疲劳的特例是热疲劳（thermal fatigue）。如发动机启动或停机时，加热冷却的不均匀引起热应力，热应力循环作用就导致热疲劳。在热应力循环的一个周期内，温度是变化的，因此热疲劳是材料在不同温度下反复发生塑性变形而产生的，与定常温度下的疲劳相比，其发展过程更为复杂。高温下的拉应力特别有害，它会引起沿晶断裂，从而大大缩短材料寿命。温度变化还会使金属组织结构发生改变，如时效转变、再结晶、相变等。热疲劳是热应变反复发生的结果，是一种低周应变疲劳，寿命的控制因素是材料的韧度，而不是强度。

对于脆性材料，一个或数个热循环作用称为热冲击（thermal shock），这种热冲击作用会导致脆性材料断裂。

对高温疲劳中的蠕变-疲劳相互作用（creep-fatigue interaction）需要予以重视。由Miner公式（式（8-9）），将蠕变损伤和疲劳损伤线性累加，得到以下断裂条件：

式（7-32）是一个近似表达式，但使用起来十分简便。