热-机械循环疲劳（TMF）
热-机械循环疲劳（TMF）的理论基础
TMF是什么
老师，TMF和thermal-fatigue（热疲劳）是一样的吗？
TMF（热机械疲劳）是温度与机械载荷同时循环作用的问题。单纯的热疲劳只是温度循环，而TMF同时包含压力或离心力的变化。发动机气缸盖、涡轮叶片是典型应用。
IP vs. OP
IP和OP的寿命差别很大吗？
有时会相差数倍到10倍。OP的寿命通常更短（氧化加速）。
总结
TMF（热机械疲劳）的定义与种类
热机械疲劳（Thermo-Mechanical Fatigue, TMF）是温度循环与机械应变循环同时作用的疲劳。温度与应变同相位变化的“同相位TMF（IP-TMF）”和反相位的“反相位TMF（OP-TMF）”具有不同的破坏机制。IP-TMF在高温高应变下氧化与疲劳耦合，以晶界破坏为主导；OP-TMF则在低温拉伸应变时氧化膜裂纹成为裂纹源。对于燃气涡轮叶片等高温结构，OP-TMF常主导寿命，Nissley（1995年，普惠公司）整理的公式至今仍被参考。
数值解法与实现
TMF的FEM
1. 同时施加温度循环+机械载荷循环
2. 使用Chaboche模型处理弹塑性+蠕变（*VISCO）
3. 获取稳定的迟滞回线
4. TMF寿命预测（Coffin-Manson + 蠕变损伤 + 氧化损伤）
总结
TMF试验（ISO 12111）的实施步骤
TMF试验的国际标准ISO 12111（2011年制定）规定了使用感应加热圆棒试样，同时在机械式拉伸试验机上施加应变的同步控制试验。温度范围根据材料使用温度（例如镍基超合金为200~950°C），机械应变范围0.5~2.0%为典型值。加热冷却速率标准为5~10°C/秒，一个循环约5~20分钟，总试验时间可能长达数日至数周。设备成本每台约5000万至1亿日元，主流为MTS Systems或Instron公司的高温试验机。日本国内NIMS（筑波）、东芝ESS（横滨）、东北大学（仙台）拥有相关设备。
热-机械循环疲劳（TMF）热-机械循环疲劳（TMF）实践指南
TMF的实务
发动机气缸盖、排气歧管、涡轮叶片。ASME NH的蠕变-疲劳评估。
实务检查清单
涡轮增压器壳体的寿命预测
汽车用涡轮增压器的涡轮壳体（SiMo铸铁制）在发动机启动~停止过程中反复经历20~900°C的循环。每个循环产生0.1~0.3%的机械应变，典型设计目标寿命为100,000~200,000次循环（相当于车龄15~20年）。德国大陆集团（Continental AG）确立了Nastran→Abaqus联动的TMF分析流程，采用将IP/OP-TMF损伤作为独立变量分别评估后，再用Miner法则合计的方法。通过分析识别出40%以上的热点，并通过形状优化（增大圆角半径）实现了寿命翻倍（2019年，SAE论文 2019-01-0281）。
热-机械循环疲劳（TMF）软件与求解器比较
工具
支持TMF分析的主要软件
TMF专用分析软件比较：Abaqus/Standard在非线性蠕变-疲劳耦合模型方面自由度最高，罗尔斯·罗伊斯、MTU航空发动机公司用于发动机叶片设计。Ansys Mechanical（与nCode DesignLife联动）自动化了符合ISO 12111的TMF后处理，实务效率高。fe-safe（达索旗下）可自动判别IP/OP-TMF并以云图显示损伤。SIMcenter Nastran在线性-非线性耦合方面优秀，但对高级TMF有限制。MATDAT公司的MATERIAL PROPERTY数据库收录了大量镍基超合金的TMF材料常数，用于设计标准。
尖端技术
TMF的尖端
热机械疲劳的发现：喷气发动机开发史
热机械疲劳（TMF）作为一种独立的破坏模式被认识，是在1960年代普惠公司JT9D发动机开发时期。为阐明涡轮叶片在每次飞行循环中承受700~1,050°C热机械载荷并在1,000次循环以下断裂的现象，开发了In-phase/Out-of-phase TMF试验机，并发现IN738LC合金的TMF寿命仅为等温疲劳寿命的1/4。