16Mn精密钢管热疲劳断裂失效分析
16Mn精密钢管在没有外加载荷的情况下,由于16Mn精密钢管工作温度的反复变化而导致的开裂叫热疲劳。在热循环频率较低的情况下,热应力值有限,而且会逐渐消失,难以引起破坏。但当快速加热、冷却交变循环条件下所产生的交变热应力超过材料的热疲劳极限时,就会导致16Mn精密钢管零件疲劳破坏。
(1)热疲劳的特征
在冷热交变循环中所产生的交变应力可能并不大,但在高温下,16Mn精密钢管材料的强度降低,即使在较低的应力作用下,材料仍处于塑变状态,因此热疲劳属于应变疲劳。
影响热疲劳的主要因素是冷热循环的频率和上限温度的高低。频率提高,热应力来不及平衡,使16Mn精密钢管零件的应力梯度增加,材料的热疲劳寿命降低;在同样的频率下,上限温度升高,材料塑变增加,降低了材料的热疲劳寿命;如果温度差的大小一定,上限温度降低,使得下限温度很低(零下),而成为连续地冷骤变,此时对材料所造成的损伤远小于热骤变。
影响热疲劳性能的其它因素有16Mn精密钢管材料的热膨胀系数(α)、导热率(K)和材料抗交变应变的能力(ε)。当然,材料的热膨胀系数小、导热率高、抗交变应变的能力强时,有利于提高材料的热疲劳性能。显然,热疲劳性能与16Mn精密钢管材料的室温静强度及延性无关,因损伤是在高温下产生的。
(2)热疲劳断口的形貌特征
对于16Mn精密钢管有表面应力集中零件,热疲劳裂纹易产生于应变集中处;而对于光滑表面零件,则易产生于温度高,温差大的部位。在这些部位首先产生多条微裂纹。热疲劳裂纹发展极不规则,呈跳跃式,忽宽忽窄,有时还会产生分枝和二次裂纹,裂纹多为沿晶开裂。
16Mn精密钢管热疲劳断口与机械疲劳断口在宏观上有相似之处,也可以分为三个区域,即裂纹起始区、扩展区和瞬时断裂区。
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