Термическая усталость. 
Влияние температуры испытания

В реальных условиях при повышенных температурах у материалов наблюдаются одновременно усталостные процессы и ползучесть. Большое значение имеет усталость в условиях циклического изменения температуры, например в материалах камеры сгорания двигателей, поверхности прокатных валков, котлов и т. д. Если температура изменяется при постоянном напряжении, то мы имеем дело с типичной термической усталостью.

Процесс постепенного накопления повреждений в материале под действием циклических нагрузок, приводящий к изменению его свойств, образованию трещин и разрушению, называют усталостью, а свойства противостоять усталости — сопротивлением усталости.

Термическая усталость — это деформация и разрушение материала под действием повторяющихся нагревов и охлаждений.

Разрушение здесь происходит как при циклическом нагружении (под действием напряжений), так и при ползучести, происходящей вблизи максимальной температуры цикла.

Замечено, что по сравнению с действием постоянной температуры при циклическом изменении существенно возрастает подвижность дислокаций и увеличивается число вакансий. Все это приводит к ускорению процессов ползучести и уменьшению длительной прочности.

В условиях усталости при высоких температурах, как и при ползучести, формируется субзереипая структура, трещины часто распространяются по границам зерен. Сами трещины зарождаются в стыках между зернами в местах больших скоплений дефектов и напряжений.

Значение термических напряжений определяют, но уравнению.

где Е — модуль упругости; а — коэффициент линейного расширения; At — температурный интервал; р — коэффициент Пуассона.

Величина температурного перепада зависит от теплопроводности материала, условий нагрева и охлаждения и масштабного фактора деталей.

В основном условия термоциклирования отвечают малоцикловому нагружению, при котором сжатию способствует максимальная температура цикла, а растяжению — минимальная. Термическая усталость отличается от механической тем, что при термоциклировании напряжения в основном определяются упругопластичсскими свойствами материала.

Уменьшающиеся величины деформации при термоциклировании положительно влияют на термическую усталость. Этого можно достичь за счет уменьшения коэффициента линейного расширения и увеличения теплопроводности материала, но при этом не должно наблюдаться снижение жаропрочности. Достичь изменения теплофизических и механических свойств одновременно за счет изменения структуры и химического состава материала сложно. Повысить прочность и жаропрочность можно с помощью легирования, но теплопроводность при этом уменьшается.

Рост термической усталости (термостойкости) может отчасти наблюдаться за счет уменьшения концентраторов напряжений: металлургические — грубые включения различных фаз; технологические — надрезы, задиры; различные конструктивные.

Задача усталостных испытаний — дать количественную оценку способности материала работать в условиях циклического нагружения без разрушения.