页数：10页文件大小：176.3 KB来源： 轮机维护与修理ppt课件
本课件为第四章船机零件的疲劳破坏的讲义文字版，阐述疲劳破坏的定义与分类、疲劳断口特征与裂纹扩展过程、影响疲劳强度的因素与高温疲劳，以及曲轴疲劳破坏的检验与预防。
疲劳源一般出现在零件表面或近表面处。
光滑状是两个断裂表面长时间互相研磨所致；贝纹是负荷变化时裂纹前沿线扩展遗留下的痕迹。贝纹从疲劳源开始后向四周扩展并与裂纹扩展方向垂直。
脆性材料呈结晶状，塑性材料呈纤维状。
零件在交变载荷作用下首先在表面缺陷处产生微裂纹，随后裂纹时而扩展，时而停滞，以致最终断裂。这一断裂过程从疲劳断裂的断口特征的三个区域得到证实。1)疲劳裂纹的形成疲劳裂纹的裂纹源位于零件表面应力最大处，即有应力集中的部位或零件近表面的材料内部，即材料内部有严重的冶金缺陷或组织缺陷处。
零件表面的裂纹源多是表面上有油孔、过渡圆角、台阶、粗大刀痕等应力集中处在交变应力作用下形成的微裂纹；
零件近表面材料内部由于冶炼和冷、热加工的缺陷、晶体滑移和晶界缺陷等在交变应力作用下产生的微型纹。2)疲劳裂纹的扩展零件表面或近表面处一旦出现疲劳微裂纹就会在交变应力作用下扩展。疲劳裂纹扩展分为两个阶段，如图4-2所示。首先在已形成的微裂纹处，即疲劳源处裂纹沿最大切应力方向(和正应力方内近似成45°角)向零件内部扩展。
扩展的深度较浅，扩展的速度也很小。
这是裂纹扩展的第一阶段。随后裂纹扩展的方向改变，裂纹沿着与正应力垂直方向扩展，即裂纹扩展的第二阶段。此时正应力对裂纹的扩展有着重要作用，使裂纹向零件内部扩展的深度和速度远远超过第一阶段。在交变的正应力作用下，裂纹时而扩展，时而停滞。零件裂开处的两个面时而闭合，时而分开，以致在两个断面上形成“贝纹状”。
裂纹源附近裂纹扩展较慢，两个断裂面长时间相互摩擦与研磨，使断面光滑并有稀疏的贝纹；
较远处的裂纹扩展较快，两个断裂面相互研磨时间短，使断裂面粗糙，贝纹细密。3)疲劳断裂疲劳裂纹扩展到一定深度后，零件实际承载面积减小，当剩余面积承受不了载荷作用时发生突然断裂，断面上出现最后断裂区。
疲劳断口上的三个区域的状况与零件工作时的载荷、应力状态、零件材料性能及加工情况等有关。图4-3为各种交变载荷作用下轴类零件疲劳断裂的断口形貌示意图。根据断口形貌可以定性分析零件所受载荷、材料性能和寿命等，有助于分析零件疲劳断裂产生的原因。从图中可见：(1)疲劳源大多分布于零件表面，一般有1～2个。
贝纹稀疏、间距大，表示材料疲劳强度低。
若所占面积较小或小于断面一半时，说明零件无过载或过载很小。在相同条件下，高应力状态零件的最后断裂区的面积大于低应力状态零件的最后断裂区的面积；承受单向弯曲的零件仅有l个疲劳源，承受双向弯曲的零件有2个疲劳源；
承受单向弯曲的零件与承受扭转弯曲的零件的最后断裂区的形状不同，后者的疲劳源与最后断裂区的相对位置发生偏转，并由于零件上缺口应力集中的影响较大，使最后断裂面积很小且与零件断面呈同心状。
由бmax一lgN坐标中的疲劳曲线可知，材料承受的最大交变应力бmax，越大，循环周数N就越少，即寿命越短；反之，N越多，寿命越长。当бmax低于某一值时，循环无限次零件材料也不会发生疲劳断裂。所以，材料的疲劳强度或称疲劳极限是材料经受无限次循环应力的作用而不破坏的最大应力，用符号бr表示。
注脚r为循环特征，对称循环的r=l，所以对称循环应力下的疲劳强度用б-1，表示。
零件材料的疲劳强度除与材料本身的成分、组织和表面应力状态等有关外，还与零件的形状、尺寸、表面粗糙度和使用条件等有关。1应力集中由于零件表面上的台阶、键槽、油孔或螺纹等截面变化处及零件材料内部的缺陷均会引起应力集中，当应力最大值超过材料的许用应力时就会形成疲劳源，导致疲劳破坏，所以，应力集中是引起疲劳破坏的首要因素。
试验表明，零件表面上缺口引起的应力集中使其疲劳强度降越低，缺口越尖锐，降低得越厉害。
2表面状态和尺寸因素
表面粗糙度越低、表面越粗糙，疲劳强度越低。相同材料不同加工方法，零件的表面粗糙度不同，其疲劳强度也不一样。例如，钢、铝合金粗车后的疲劳强度较抛光后的低l0%～20%。零件表面层处于残余压应力状态可有效地提高疲劳强度。采用滚压、喷丸等表面变形强化工艺可提高零件的疲劳强度。
零件疲劳强度还会随尺寸增大而降低，因为尺寸增大，零件表面积增大，表面缺陷增多，相应增加疲劳破坏的概率。
3）使用条件机器运转中，载荷状况、工作温度和环境介质等均对零件的疲劳强度有很大影响。过载将造成过载损伤使材料的疲劳强度降低。工作温度升高会使材料的疲劳强度降低，反之会增加。零件在腐蚀性介质中工作时，零件表面被腐蚀形成缺口，产生应力集中而使材料的疲劳强度降低。
1）疲劳极限在交变载荷作用下材料承受的最大交变应力与断裂前周数之间的关系如图4-1所示。由бmax—lgN坐标中的疲劳曲线可知，材料承受的最大交变应力бmax越大，循环的周数越少，既寿命越短；反之，N越多，寿命越长。当应力低于某一值时，循环无限次也不会发生疲劳断裂，该应力称为材料的疲劳极限。
所以，材料的疲劳极限或称疲劳强度是材料经受无限次应力循环的作用而不被破坏的最大应力，用符号бr表示。
注脚r为循环特征，对称循环的r=-1，故对称循环应力下的疲劳极限用б-1表示。材料的疲劳极限是由试验测定。例如，常温下的碳钢、合金结构和铸铁，在N达到107后曲线出现水平阶段。所以这类材料是以N=107时不断的最大应力作为疲劳极限。
2）过载抗力机器在运转过程中，常常会出现短时间的过载，相应的零件处于短时间高于其材料的疲劳极限的工作应力状态。
例如，柴油机紧急刹车、起动或超负荷运转等。为了保证安全运转对偶然短时间过载应考虑其对材料的疲劳抗力的影响。
图4-2材料的过载损害区和损害界一般来说，适当过载对材料的疲劳性能没有什么影响，因其未能引发材料内部微裂纹的显著扩展。而不适当过载（包括过载的大小和过载循环次数的多少）将会造成过载损伤，降低材料的疲劳极限，导致零件的疲劳破坏。这是由于过载引发了材料内部的微裂纹扩展达到了一定尺寸，在过载后的正常运转中不断扩展导致疲劳断裂。
采用疲劳过载抗力来衡量过载对零件材料疲劳抗力的影响。
过载抗力一般是用通过试验建立的过载损害区和损害界来表示，如图4-2。图中cde为过载损害区，cd为过载损害界。当零件在过载负荷бi、循环周数Nb工作，即工作点B进入过载损害区时，过载就会发生过早的疲劳破坏，缩短零件的疲劳寿命。由图可以看出，材料的过载损害区越狭窄，或过载持久线ed越陡直，则过载抗力越高。
过载持久值ed表示在超过疲劳极限的应力下直到断裂所能经受的最大应力循环周数。
由于零件短时间过载不可避免，所以零件选材时宜选用过载损害区狭窄而又陡直的材料。3）疲劳缺口敏感度零件上开有键槽、油孔、台阶、螺纹等各种几何形状的缺口时，在使用中就会在缺口的根部产生应力集中，使材料的疲劳强度降低。采用缺口敏感度来表示疲劳强度降低的程度。
Kt值可从机械工程手册中查得。Kf是光滑试件的疲劳极限б-1与缺口疲劳极限б-1H之比，其与缺口的形状、尺寸和材料性能有关。在中等强度范围内，材料强度越高，Kf值越大，一般Kf≤Kt。当Kf=Kt时，q=1，表示此时疲劳应力集中最严重，缺口最敏感；
当Kf=1时，б-1=б-1H，则q=0，表示零件虽有缺口但不影响材料的疲劳极限б-1，缺口最不敏感。
材料的缺口敏感度q在0和1之间。q值越小，缺口越不敏感。铸铁对缺口极不敏感，t式中：Kt=静力理论应力集中系数，Kmax；fKf=疲劳应力集中系数，K1H1。
q<0.1；一般结构钢对缺口较为敏感，q=0.55～0.80。
生产中有许多机器零件是在高温和交变载荷作用下工作。如汽轮机、燃气轮机的叶轮和叶片，柴油机的排气阀等，容易产生高温疲劳破坏。
因此，高温下的材料疲劳强度用规定循环周次下的疲劳强度表示，一般取5×107或108次。
不同材料显著发生蠕变的温度不同，一般当材料温度超过0.3Tm时蠕变显著发生，使材料的疲劳强度急剧降低。例如，碳钢温度超过300～350℃，合金钢超过350～400℃的发生显著蠕变。
材料的蠕变极限随温度变化曲线l与疲劳极限随温度变化曲线2相交于一点，说明当材料温度低于此点对应温度时，材料以疲劳破坏为主；高于此点对应温度则以蠕变破坏为主。2.热疲劳1热应力零件各部分受热不同，温度不同，产生的变形也不同。同时，零件材料产生变形的金属与变形小的金属或未产生变形的金属相互约束和牵制而产生由温差引起的应力，即热应力。
零件内外表面温差、同一截面上中心与边缘的温差均会产生热府力，高温面(或处)产生压应力，低温(或处)产生拉应力。
例如，柴油机气缸盖底面(触火面)温度高达400～500℃，而冷却面温度为60～80℃。底面金属受热膨胀受冷却面未变形金属约束产生压应力，冷却面金属受高温底面变形金属的牵制产生拉应力。底面中心和边缘也会由于温差在中心处产生压应力，在边缘处产生拉应力。温差越大，热应力也越大。根据热应力与时间的关系分为定常热应力和不定常热应力。
根据热应力变化的频率分为高频热应力和低频热应力。柴油机运转时，周期变化的高温燃气作用引起燃烧室零件触火面高温也是周期变化的，频率高，故产生高频热应力。柴油机起动、停车或变工况运转时，燃烧室零件产生不定常热应力，其变化周期与起动、停车或工况变化的周期相同，频率低，故为低频热应力。2热疲劳热疲劳是零件在循环热应力反复作用下产生的疲劳破坏。
在热疲劳过程中由于高温引起材料内部组织结构变化，降低了材料的热疲劳抗力；
高温促使表面和裂纹尖端氧化，甚至局部熔化，加速热疲劳破坏；零件截面上存在温度梯度，特别是厚壁零件温度梯度更大，在温度梯度最大处造成塑性应变集中，促进热疲劳破坏的发生。热疲劳裂纹是在受热表面热应变最大区域形成，一般有几个疲劳裂纹源，裂纹沿表面垂直受热方向扩展，并向表面内纵深方向发展。
所以，零件热疲劳破坏是以受热表面上产生特有的龟裂裂纹为特征。
热疲劳裂纹与循环温差、零件表面缺口状态和材料有关。循环温差越大、表面缺口越尖锐，就越容易发生热疲劳。金属材料的热疲劳抗力不但与材料的导热性、比热等热力学性质有关，而且与弹性模量E、屈服极限σs等力学性能有关，所以导热性差的脆性材料，如灰口铸铁容易发生热疲劳破
坏。
第二节气缸盖和曲轴的疲劳破坏一、气缸盖的疲劳破坏1.气缸盖底面裂纹柴油机运转过程中气缸盖底面在其工作条件下可能产生高温疲劳、蠕变和热疲劳破坏。
高温下高压燃气作用使底面发生弯曲变形产生机械压应力，并随柴油机工作循环周期重复变化。一般情况下，气缸盖底面温度达400～500℃，有时可能超过0.5Tm(灰铸铁的熔点)。当气缸盖冷却不良时就会超过0.5Tm，从而引起高温疲劳破坏。当底面温度超过0.3Tm时，底面产生显著蠕变，从而使底面性应力大大降低。
气缸盖底面和冷却面的温差可达300～400℃，在底面和冷却面分别产生压、拉热应力，在柴油机停车或负荷突降时会使气缸盖底面压应力进一步降低、消失，甚至产生残余拉应力。
另外，柴油机运转过程中零件长期受到高温作用，使材料的疲劳极限下降，所以低频热应力过大时就会在气缸盖底面产生疲劳裂纹。因此，当气缸盖底面产生裂纹时不能简单地视为热疲劳裂纹，因为底面裂纹可能是热疲劳裂纹，也可能是高温疲劳裂纹或蠕变裂纹，或者是三者共同作用产生的裂纹。但是当发现龟裂裂纹时，则可断定为热疲劳裂纹。
2.气缸盖冷却面裂纹气缸盖冷却侧分布着环形或其他形状的冷却水通道，在通道筋的根部产生机械疲劳裂纹，并向触火面扩展。
裂纹是气缸内最大爆发压力引起的周期性脉动应力作用的结果。气缸内最大爆发压力作用在缸盖底面上使其发生弯曲变形，在冷却面上产生最大拉应力。当冷却水通道筋的根部过渡圆角过小或者存在铸造缺陷时，在这些应力集中的部位就会产生裂纹或使铸造缺陷裂纹扩展，以致在周期脉动应力作用下裂纹自冷却面向触火面逐渐扩展，最终使缸盖裂穿。
零件在腐蚀介质和交变载荷共同作用下产生腐蚀疲劳破坏。
由于腐蚀与疲劳加速零件上的裂纹形成与扩展，所以是更严重的破坏。气缸盖冷却面在冷却水中不可避免地产生微观电化学腐蚀；冷却面局部区域的冷却水还可能处于沸腾状态，使冷却水中可溶性盐类的酸根离子Cl-、SO2-等与冷却面金属发生电化学腐蚀；当冷却水中溶解一定量氧时，冷却面金属被4氧化，水温越高，氧化腐蚀越严重。
在以上腐蚀条件下零件材料的疲劳强度显著下降，在气缸中燃气的循环交变应力作用下产生腐蚀疲劳破坏。
综合以上分析，气缸中的燃气温度和压力对于气缸盖底面和冷却面上产生疲劳裂纹均有很大影响。气缸盖乃至燃烧室的其他组成零件能否产生疲劳裂纹均与轮机员的管理工作密切相关。为了避免产生热疲劳裂纹就不能产生过大的热应力，也就要求气缸盖等零件不能热态时急冷和冷态下急剧加热或使其过热。例如，柴油机起动前不暖机或暖机不充分，起动后又立即增速增负荷；
停车时过早中断冷却水，使机件散热不良或局部过热；
长期超负荷；气缸盖冷却水腔结垢严重等。
多。曲轴在回转中受到各缸交变的气体力、往复惯性力和离心力，以及由其所引起的弯矩、扭矩的作用，这些力不仅随曲轴转角变化，也随负荷变化。因此曲轴在这些力的作用下发生弯曲和扭转变形，产生复杂的交变应力和引起曲轴的弯曲振动、扭转振动，从而又产生很大的附加应力。曲轴的形状复杂，截面变化较多，刚性很差，存在严重的应力集中，容易产生疲劳破坏。
曲轴裂纹和断裂是属于高周低应力疲劳破坏。
其断裂应力甚至仅为l/3屈服极限，循环周次高于l06～l07。依曲轴产生裂纹的交变应力的性质不同，主要有以下三种疲劳裂纹：弯曲疲劳裂纹、扭转疲劳裂纹和弯曲一扭转疲劳裂纹。1.弯曲疲劳裂纹曲轴的弯曲疲劳裂纹一般发生在主轴颈或曲柄销颈与曲柄臂连接的过渡圆角处，或逐渐扩展成横断曲柄臂的裂纹，或形成垂直轴线的裂纹，如图4-6所示。
弯曲疲劳试验表明，过渡圆角处的最大应力出现在曲柄臂中心对称线下方。
应力沿曲轴长度方向的分布是在中间的和端部的曲柄有较大的弯曲应力峰值。因此，曲轴弯曲疲劳裂纹常发生在曲轴的中间或两端的曲柄上。曲轴弯曲疲劳破坏通常是在柴油机经过较长时间运转之后发生。因为长时间运转后柴油机的各道主轴承磨损不均匀，使曲轴轴线弯曲变形，曲轴回转时产生过大的附加交变弯曲应力。
此外，曲轴的曲柄臂、曲柄箱或轴承支座(机座)等的刚性不足，柴油机短时间运转后，也会使曲轴产生弯曲疲劳破坏。
典型的弯曲疲劳断口如图4-3所示。2.扭转疲劳裂纹曲轴在扭转力矩作用下产生交变的扭转应力，存在扭振时还会产生附加交变扭转应力，严重时会引起曲轴的扭转疲劳破坏。扭转疲劳裂纹一般发生在曲轴上应力集中严重的油孔或过渡圆角处，并在轴颈上沿着与轴线成45°角的两个方向扩展。
这是因为轴颈的抗扭截面模数较曲柄臂的小，所以扭转疲劳裂纹多自过渡圆角向轴颈扩展，而很少向曲柄臂扩展。
但若同时存在较强的弯曲应力，则裂纹也可自圆角向曲柄臂扩展，造成曲柄臂弯曲断裂，如图4-7所示。通常扭转疲劳裂纹发生在曲轴扭振节点附近的曲柄上。发生扭转疲劳裂纹的时间一般是在柴油机运转初期和曲轴的临界转速位于工作转速范围内时。扭转疲劳断裂的断口如图4-3，断面与轴线相交成45°角，断面上的裂纹线近似螺旋线。
3.弯曲—扭转疲劳裂纹曲轴的疲劳破坏还可能是由于弯曲与扭转共同作用造成。
常常由于主轴承不均匀磨损造成曲轴上产生弯曲疲劳裂纹，继而在弯曲与扭转的共同作用下使裂纹扩展、断裂，最后断裂面与轴线成45°角，断口形貌如图4-8所示，断面上自疲劳源起约2/3的面积为贝纹区，呈暗褐色；剩余l/3的面积为最后断裂区，断面凹凸不平，晶粒明亮。圆形波纹状纹理是弯曲疲劳造成的，放射状纹理是扭转疲劳造成的，两种纹理交织成蛛网状。
弯曲一扭转疲劳裂纹有时也呈以弯曲疲劳为主或以扭转疲劳为主的破坏形式。因此，在具体情况下，应根据断面上的纹理、裂纹方向和最后断裂区进行分析判断。生产中，曲轴的弯曲疲劳破坏远远多于扭转疲劳破坏。其主要原因是由于曲轴弯曲应力集中系数大于扭转应力集中系数，曲轴的弯曲应力难于精确计算和控制。
柴油机运转中，曲轴的各道主轴承磨损是很难掌握和计算的，由它所引起的曲轴变形和附加弯曲应力也就难于计算和控制了。
相反，曲轴的扭转应力可以通过计算准确掌握，并可采取有效的减振措施予以平衡，只要避免柴油机在临界转速运转和扭转应力过载，曲轴的扭转疲劳破坏就会得以控制。
具体措施要从零件的结构设计和制造方面着手，对于轮机员来说则要从轮机管理方面来减少船机零件的疲劳破坏。1.结构设计方面(l)设计合理对于零件上截面变化处，如孔、键槽、过渡圆角、螺纹等处要注意截面变化不可突然，孔的边缘、过渡圆角处应圆滑，表面要光洁，例如曲柄过渡圆角半径不应小于曲柄销径直径的5%，否则就会产生严重的弯曲应力集中。
例如62VT2BF型柴油机气缸套外表面上部凸缘根部产生裂纹，原因是结构设计不合理。改进后缸套不再出现裂纹，如图4-8所示。
所以，制造中首先要提高零件毛坯质量。
球墨铸铁曲轴渗氮处理可使弯曲疲劳强度提高20%～29%。采用喷丸、滚压等表面强化工艺也可显著提高零件表面的疲劳强度。喷丸、滚压等工艺使零件表面产生冷加工硬化，从而产生很大的压应力。例如，零件表面粗糙度为Ra12.5～Ra3.2μm，经滚压后提高为Ra0.4～Ra0.2μm，大大提高了疲劳强度。
曲轴过渡圆角滚压，可使钢曲轴疲劳强度提高20%～70%，球墨铸铁曲轴提高50%～90%。
滚压强化工艺广泛用于大型零件上。
复习思考题1、什么是疲劳破坏？疲劳破坏可分哪几类？
有何特征？
高温疲劳有哪些特点？
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