)溫度波動導致交變的應力應變
由于溫度的變化引起不銹鋼法蘭自由膨脹或收縮受到約束，結(jié)果在不銹鋼法蘭內(nèi)部變形受阻而產(chǎn)生熱應力，當溫度反復變化時這種熱應力及熱應變也反復變化，因而使材料受到損傷。結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生熱應力或熱應變的原因是多種多樣的，但大體上可分為如下幾種:(i)結(jié)構(gòu)中某元件內(nèi)的溫度梯度，(ii)結(jié)構(gòu)中各元件間的溫差，(iii)熱膨脹系數(shù)不同的法蘭的組合等等。屬于第(i)種情況的，有焊接材料;傳熱的結(jié)構(gòu)元件。屬于第((ii)中情況的，有各種管道中的熱膨脹接頭等。屬于第((iii)種情況的，鐵素體鋼和奧氏體鋼的焊接構(gòu)件等是最典型的例子。
熱疲勞既然起源于不銹鋼法蘭內(nèi)部為抵消物體熱膨脹和收縮之差而產(chǎn)生的循環(huán)熱應變，所以，材料的韌性(延性)與熱應力強度性質(zhì)密切相關(guān)。不銹鋼法蘭處的結(jié)構(gòu)示意圖見圖3.2.在閘閥出口不銹鋼法蘭高頸處的壁厚(18mm)比管道的壁厚(8mm)大，在連接處存在結(jié)構(gòu)不連續(xù)導致的二次應力。在溫度反復上升和下降過程中，管道沿徑向發(fā)生膨脹和收縮，由于連接處壁厚不同，兩處的變形量不同，變形上受到約束而產(chǎn)生周向和軸向熱應力，當溫度變化時這種周向應力也反復變化，出現(xiàn)拉應力和壓應力交替變化而造成材料疲勞損傷。這種熱應力是多方向的，既有周向的也有軸向的，因此熱疲勞裂紋往往是多方向開裂，從而形成龜裂的裂紋。
熱應力主要在連接處最大，因而在靠近連接處產(chǎn)生。與不銹鋼法蘭連接的8mm厚的管道處由于外保溫作用而沿壁厚的溫度波動小，出現(xiàn)這種交變的熱應力較小，因而裂紋主要在連接處的不銹鋼法蘭高頸處產(chǎn)生。
溫度變化主要來源于工作中煙氣溫度的波動及熱沖擊，環(huán)境(大氣)溫度的季節(jié)變化，氣候的影響(如冬天、風及雨)，日夜溫差的交變等也是重要的溫差交變因素。另外不銹鋼法蘭部位的外保溫一般都不太嚴格，容易受環(huán)境的影響.
其次，服役工況存在低周波的溫度交變應力對高溫疲勞強度的影響很大。例如平頂波形(即含有保持時間的應力循環(huán))會導致材料疲勞強度的降低。在奧氏體鋼的高溫低周疲勞試驗中可以看到穿晶裂紋變成晶間開裂，這會引起斷裂。
(2)材料析出相脆化及析出氧化物的影響
根據(jù)金相分析，不銹鋼法蘭管道材料析出大量的a相與碳化物。析出相及周圍區(qū)域貧Cr會嚴重降低材料的疲勞強度。另外停車時凝液形成的腐蝕介質(zhì)對貧Cr區(qū)和析出物的腐蝕也使材料脆化，對材料的抗疲勞強度產(chǎn)生了不利影響，結(jié)果造成材料脆性開裂，明顯加速了裂紋的擴展。隨著裂紋的擴展，由于循環(huán)應變頻率極低，裂紋斷口表面不斷被氧化，氧化物夾雜在斷口兩表面之間象楔子一樣，對裂紋的擴展起到了促進作用。
(3)腐蝕的作用
斷口表面能譜分析表明，表面存在腐蝕產(chǎn)物.由于煙氣管道在700℃左右的高溫下工作.不可能存在腐蝕介質(zhì)，因此可以確定腐蝕是在開停車時溫度較低時產(chǎn)生的。腐蝕介質(zhì)對不銹鋼法蘭貧Cr區(qū)和析出相的腐蝕作用使得材料的抗疲勞強度進一步降低，同時產(chǎn)生腐蝕凹坑，從而具備了裂紋源，在熱應力的作用下產(chǎn)生了疲勞裂紋。另外不銹鋼法蘭晶間和晶內(nèi)的腐蝕使材料進一步脆化。
