一、金屬構件的疲勞

    承受交變載荷的金屬構件，在載荷長期反復作用下，即使載荷引起的最大應力不很高，也會導致構件突然破裂，且無明顯的塑性變形。人們把這類破裂歸之于金屬的“疲勞”。疲勞破裂時載荷交變的累計周次N，稱為疲勞壽命。疲勞破裂經常發生在高速轉動的輪、軸等結構上。

    所謂交變載荷是指載荷的大小、方向分別或同時隨時間發生周期性變化的一類載荷，常見的有對稱交變和脈動交變兩種。對稱交變的最大載荷與最小載荷大小相等，方向相反；脈動交變時最大載荷為一定量，最小載荷為零。

    引起疲勞破裂的交變載荷和應力，可以是機械載荷和機械應力，也可以是熱（溫度）載荷和熱應力。

    二、鍋爐壓力容器的疲勞問題

    鍋爐壓力容器承受的壓力載荷，通常是穩定的，即使波動，一般也頻率較低，周期較長，似乎不致于引起疲勞破裂。但實際情況遠非如此。據英國在20世紀70年代統計，運行期間容器發生的破裂事故，因疲勞引起的占35.6％；英、美調查的原子能壓力容器破裂事故中，疲勞破裂事故占41.7％。

    鍋爐壓力容器的疲勞是在結構局部高應力、低交變周次下發生的疲勞，叫低周疲勞。其交變載荷引起的最大應力超過材料的屈服點，而疲勞壽命N＝102～104；高速轉動的輪、軸發生的疲勞叫高周疲勞，是在

    低應力、高交變周次下發生的疲勞。其交變載荷引起的最大應力在材料屈服點以下，疲勞壽命N≥1×105。

    鍋爐壓力容器的低周疲勞，是基于以下條件產生的：

    1.存在交變載荷和反復應力。鍋爐壓力容器承壓部件承受的交變載荷及器壁中的反復應力可產生于：

    （1）間歇操作的設備經常進行反復的加壓和卸壓；

    （2）在運行過程中設備壓力在較大范圍內變動；

    （3）設備介質溫度及器壁溫度反復變化，而溫度及其變化也是載荷，溫度的反復變化會在結構內產生交變的熱應力；

    （4）部件強迫振動并引起較大的附加交變應力；

    （5）氣瓶多次充裝使用，造成瓶內壓力及瓶壁應力的反復變化。

    鍋爐壓力容器載荷的交變一般是脈動交變。

    2.存在較高的局部應力。承壓部件的接管、開孔、轉角及其他幾何形狀不連續的部位、焊縫及其他隱含有缺陷的部位，都有程度不同的應力集中。應力集中處的局部應力往往比設計應力大好幾倍，可能達到并超過材料的屈服點。反復的加載和卸載，將會在應力最大處產生伸縮塑性變形并產生裂紋，裂紋逐步擴展最終導致破裂。

    三、疲勞破裂的基本特征

    1.部件沒有明顯的塑性變形。承壓部件的疲勞破裂，首先是在局部應力較高的部位產生微細裂紋，然后逐步擴展，最后剩余截面上的應力達到材料的抗拉強度而發生開裂。它和脆性破裂相似，一般沒有明顯的塑性變形。破裂部件的直徑沒有明顯的增大，壁厚也沒有明顯的減薄。

    2.斷口存在兩個區域。一個是疲勞裂紋產生與擴展區，另一個是最后破裂區。前者光滑，后者粗糙，光滑區一般有規則的貝殼花樣或海灘狀條紋，是載荷交變時斷口受到反復擠壓研磨的結果。

    3.設備常因開裂泄漏而失效。疲勞破裂的承壓設備或部件一般不像脆性破裂那樣整體破碎，而只是開裂一個破口，使設備或部件因泄漏而失效。開裂部位常是開孔接管或其他應力集中部位、缺陷部位及溫度交變部位。開裂泄放的介質如是可燃性的或劇毒性的，造成的后果會十分嚴重。

    當設備材料強度較高而韌性較低時，疲勞破裂也會造成設備開裂爆炸，其后果更為嚴重。

    4.部件在多次承受交變載荷后破裂。即疲勞破裂是和交變載荷相關聯的，是需要循環交變一定周次和持續一定時間的。疲勞破裂的整個過程要比脆性破裂緩慢得多。

    四、疲勞破裂的預防

    1.在保證結構靜載強度的前提下，選用塑性好的材料。相應于一定的交變載荷，低周疲勞壽命取決于材料的塑性，塑性越好，材料的低周疲勞壽命N越大，可用期限越長；

    2.在結構設計中盡量避免或減小應力集中；

    3.在運行中盡量避免反復頻繁地加載和卸載，減少壓力和溫度的波動；

    4.加強檢驗，及時發現和消除結構缺陷。