图 1-1 扫描电镜拍摄裂纹源尖角空洞

在高温条件下工作的金属零件，环境温度的状态并不是恒定的，甚至有些时候的 变化是急剧反复的。对于因此而产生的膨胀和收缩，如果受到了约束，热应力（又称 温差应力）就会在零件内部产生。随着温度反反复复变化，热应力反反复复变化，因 此材料就会因疲劳而受到损伤。因为有较强的抗热应变能力，故塑性材料不易发生热 疲劳。与之相反，因为抗热应变的能力较差，热应力十分容易地就达到材料的断裂应 力，也因此脆性材料便会受热冲击并且被破坏。

由图 1-2 和图 1-3 所示可以看出，热疲劳裂纹的特征主要是：

（1）、龟裂状是典型的表面疲劳裂纹形式；

（2）、有些裂纹趋势是沿晶型的，有的裂纹趋势是穿晶型的；大多数裂纹的端部 是十分尖锐的，氧化物多充满在裂纹内。

（3）、灰色是宏观断口的主要颜色，并覆盖了氧化物。

（4）、裂纹多先在表面产生，与应力、时间及温差变化相对应的为裂纹扩展深度。

图 1-2 刹车盘热疲劳裂纹

图 1-3 某管道疏水管孔内壁处疲劳裂纹

其影响因素主要有：

（1）、随着环境的温度梯度及变化频率的增加，热疲劳越容易产生。

（2）、组合的材料如果热膨胀系数不同，易出现热疲劳。

（3）、晶粒越粗大且越不均匀，热疲劳越容易产生。

（4）、热疲劳对晶界分布的第二相质点十分敏感。

（5）、塑性差的材料易出现热疲劳。

（6）、由于零件的几何结构，金属的膨胀和收缩的约束作用越大，越容易产生热 疲劳。

1。2。2 热疲劳的现状及发展趋势

用于制造航空涡轮发动机热端部件和航天火箭发动机各种高温部件的材料主要是 耐热性强的合金，这类耐热性强的合金已经作为不可或缺的关键部位应用于现代航空、 航天发动机的生产设计领域。高温合金在航空、发动机中工作条件十分恶劣，通常需 要在 1000 摄氏度高温和复杂环境下较长期工作。尤其燃烧室十分特别，一旦燃烧不均匀，工作状态不好时，应用于制造导向叶片部位的合金受热负荷会十分的大，热疲劳 裂纹便会自然地因这种状况产生。因此涡轮发电机的导向叶片提前破坏的原因便是热 疲劳，通常限制燃气发动机的叶片和轮盘使用寿命的也是热裂纹，热裂纹多呈现细小 的状态存在于叶片上。在轮盘上，由于轮毂和轮缘沿径向的温度差异很大，于是在轮 缘外产生的周向热应力便成为轮盘槽底产生裂纹的主导因素。综合以上分析的各零件 产生热疲劳裂纹的过程，作为一种高温破坏形式，热疲劳普遍存在于高温合金零部件 中，尤其是像导向叶片这类受冲击较大的零部件。对于许多高温工作的零件往往有一 个误解，认为它们往往是因为受力过大而损坏，其实不然，而是因为不断地受冷受热 而损坏。典型的代表如锻模、轧辊以及火焰筒、汽缸、发动机的进排气管道，等，在 不断地受冷受热交变工作的条件下产生热疲劳裂纹并最终导致破坏。 

热疲劳损伤广泛存在于高温设备、动力机械以及精密电子设备中，举例说明：(1) 核电站在正常运行过程中，主管道的高温水与支管道的低温水混合时，支管道内流体 边界层发生周期性的变化，致使支管道的温度周期变化，引起热疲劳损伤；(2) 近地 球轨道飞行器绕地球飞行时，太阳能帆板遭受太阳光加热和地球阴影降温引起的温度 循环，产生热应循环力，并在其表面形成热疲劳裂纹；(3) 大规模集成电路的周期性 通断和环境温度的周期性变化使连接处(焊点)经受温度循环，并且焊点处各元件的热 膨胀系数不同，焊点内部产生周期性的热应力，从而导致热疲劳裂纹在焊点中萌生、 扩展，最终使电路失效；(4) 热作模具表面经常承受冷热交替的温度变化，表面易生 成热疲劳裂纹，影响铸造零件的表面质量和尺寸精度，从而导致热作模具失效；(5) 炼 钢的转炉采用间歇汽雾冷却，炉壳冷却部位经历加热—冷却的循环方式，使炉壳承受 的热应力呈现交替变化，这样炉壳就会出现热疲劳损伤；(6) 热轧用的轧辊，在其一 次旋转中咬入被扎制材料时，轧辊表面的温度上升，在材料拖出后轧辊温度又复下降， 经历若干次加热—冷却循环后，轧辊表面受到热疲劳损伤产生龟裂和剥落；(7) 车用 或船用大功率柴油机在启动—停车过程中遭受热疲劳损伤，气缸或气缸盖表面易产生 热疲劳裂纹，破坏气缸的气密性；(8) 高速列车的制动盘在强烈的摩擦力的作用下不 仅会发生摩擦磨损，使制动盘温度急剧增高并因此导致热应力的产生，列车每启动一 次，一次加热和冷却的交变就会出现在制动盘上，于是反反复复的启动停止就回使热 疲劳裂纹形成于制动盘上。热疲劳裂纹扩展可使整个制动盘断裂，易造成恶性事故。 图 1-4 为电站水冷壁管外壁疲劳裂纹，图 1-5 为电站汽包内壁热疲劳裂纹。 论文网