1.热疲劳的基本概念

金属材料由于温度梯度循环引起的热应力循环（或热应变循环）而产生的疲劳破坏现象，称为热疲劳。

金属零件在高温条件下工作时，其环境温度并非恒定，而有时是急剧反复变化的。由此而造成的膨胀和收缩若受到约束时，在零件内部就会产生热应力（又称温差应力）。温度反复变化，热应力也随着反复变化，从而使金属材料受到疲劳损伤。热疲劳实质上是应变疲劳，因为热疲劳起因于材料内部膨胀和收缩产生的循环热应变。

塑性材料抗热应变的能力较强，故不易发生热疲劳。相反，脆性材料抗热应变的能力较差，热应力容易达到材料的断裂应力，故易发生热疲劳。对于长期在高温下工作的零件，由于材料组织的变化，原始状态是塑性的材料，也可能转变成脆性或材料塑性降低，从而发生热疲劳断裂。

高温下工作的零件通常要经受蠕变和疲劳的共同作用。在蠕变和疲劳共同作用下，材料损伤和破坏方式完全不同于单纯蠕变或疲劳加载，因为蠕变和疲劳分别属于两种不同类型的损伤过程，产生不同形式的微观缺陷。蠕变和疲劳共同作用下损伤的发展过程和相互影响的机制至今仍不十分清楚，即使对于简单的高温疲劳，其损伤演变和寿命也会受到诸如加载波形、频率、环境等在常温下可以忽略的因素影响。

与腐蚀介质接触的部件还可能产生腐蚀性热疲劳裂纹。

2.热疲劳裂纹的特征

1）典型的表面疲劳裂纹呈龟纹状，如图5-23所示。根据热应力方向，也形成近似相互平行的多裂纹形态，如图5-24所示，该图为锅炉减温器套筒在交变的温差应力下产生的热疲劳裂纹。

图5-23 呈龟纹状的热疲劳裂纹

图5-24 锅炉减温器套筒在交变的温差应力下产生的热疲劳裂纹

2）裂纹走向可以是沿晶型的也可以是穿晶型的。一般裂纹端部较尖锐，裂纹内有或充满氧化物，如图5-25所示。

图5-25 热疲劳裂纹的形态(www.daowen.com)

a）20钢腐蚀性热疲劳裂纹（裂纹内腐蚀） b）珠光体钢热疲劳裂纹（裂纹端部尖锐，充满氧化物）

3）宏观断口呈深灰色，并为氧化物覆盖。

4）由于热蚀作用，微观断口上的疲劳辉纹粗大，有时还有韧窝花样。

5）裂纹源于表面，裂纹扩展深度与应力、时间及温差变化相对应。

6）疲劳裂纹为多源。

3.热疲劳的影响因素

1）环境的温度梯度及变化频率越大越易产生热疲劳。

2）热膨胀系数不同的材料组合时，易出现热疲劳。

3）晶粒粗大且不均匀时，易产生热疲劳。

4）晶界分布的第二相质点对热疲劳的产生具有促进作用。

5）材料的塑性差易产生热疲劳。

6）零件的几何结构对其膨胀和收缩的约束作用大时，易产生热疲劳。

综上所述，对于疲劳失效分析，除了从断口上去寻找特有的微观特征外，还需从宏观断口特征、载荷特征、服役环境等方面进行综合分析，对断裂性质进行明确判断。