船机零件的疲劳破坏

第四章船机零件的疲劳破坏在船机零件断裂中，疲劳断裂占80～90％。曲轴、活塞、缸盖、齿轮、连杆螺栓等承受交变载荷的零件。船机零件，尤其是主柴油机零件和轴系传动轴的裂纹和断裂影响极大，不仅危及船舶的正常营运，甚至会立即酿成严重事故，造成生命和财产的重大损失。断裂危害重点：疲劳破坏的机理难点：气缸盖和曲轴的疲劳破坏要求掌握的知识点：①疲劳破坏的特征、种类、机理②零件材料的疲劳强度影响因素③气缸盖和曲轴的疲劳破坏断裂后的主轴承盖活塞损坏本章重难点第一节疲劳破坏★定义:零件材料长时间在交变载荷作用下产生裂纹和断裂的现象.疲劳破坏1．突发性：断裂前无明显的塑变；2．疲劳断裂前零件一般经较长时间的使用；3．工作应力小于b（甚至小于s）；4．零件的几何特征和表面受力状态影响直接；5．断口形貌特殊：分三个区（各对应一个过程）。★疲劳断裂的特点交变应力的反复作用产生微观疲劳裂纹裂纹扩展（时而扩展，时而停止）承载面积减少最后断裂。疲劳原理（1）高周疲劳：低应力、高寿命。应力较低，小于σs，应力循环周数超过106～107。如曲轴、弹簧的断裂。一、疲劳断裂的种类高应力、低寿命。应力近于或等于屈服极限，应力循环周数少于104～105。例如，压力容器、高压管道的裂纹和断裂。（2）低周疲劳由于零件受热温度变化引起热应力的反复作用造成的疲劳破坏。例如，柴油机气缸盖、气缸套受热面的裂纹。（3）热疲劳（4）腐蚀疲劳零件或材料在腐蚀性介质中受到腐蚀，并在交变载荷作用下产生的疲劳破坏。（5）接触疲劳由于接触应力的反复作用，导致形成金属剥落，形成麻点。如滚动轴承、齿轮等的破坏。一、疲劳断裂的种类表征零件材料抗疲劳性能的力学参数，主要有:疲劳极限、超载抗力、疲劳缺口敏感度等。1）疲劳极限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破坏的最大应力，用符号σr表示二、疲劳抗力指标cde为过载损害区，cd为过载损害界。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。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较陡直的材料。2）过载抗力零件上开有键槽、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。材料的缺口敏感度0q1。q值越小，缺口越不敏感。铸铁对缺口极不敏感，q0.1。一般结构钢对缺口较为敏感,q＝0.55～0.803）疲劳缺口敏感度①疲劳源②裂纹扩展区：呈光滑状或贝纹状，贝纹从疲劳源开始后向四周扩展并与裂纹方向垂直。③最后断裂区:断口晶粒较粗大三、疲劳断裂断口特征四、疲劳断裂的过程疲劳断裂的过程包含三个过程：（1）疲劳裂纹的形成（2）裂纹的扩展（3）断裂。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，即内部有严重的冶金缺陷或组织缺陷处。零件表面上的裂纹源多是由于零件表面上有油孔、过渡圆角台阶、粗大的刀痕等应力集中的缺口，或是由于零件材料表面晶粒较内部晶粒容易发生滑移和容易受到腐蚀。1、疲劳裂纹的形成应力集中晶界处裂纹冶金缺陷(a)在晶界附近起源(b)在滑移带的缺口处起源滑移带中的挤出、挤入现象第一阶段：切向扩展阶段。沿最大切应力（与正应力成45o角）的方向金属内部扩展，深度较浅（0.1mm），扩展速度很小。2、疲劳裂纹的扩展：第二阶段：裂纹沿垂直正应力方向扩展。–正应力对裂纹的扩展起重要作用，使裂纹扩展的深度和速率远远超过第一阶段。–断面呈贝纹状。第二阶段：贝纹状断面3、断裂(1)疲劳源大多分布于零件表面，一般有1～2个。(2)疲劳裂纹扩展呈贝纹状时，贝纹细密、间距小，表示材料抗疲劳性能好，疲劳强度高。贝纹稀疏、间距大。表示材料疲劳强度低。(3)最后断裂区所占面积很大，甚至超过断面的一半以上，说明零件严重过载: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（4）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。1)应力集中(台阶、键槽、油孔或螺纹等截面变化处,零件内部缺陷)这些部位均会引起应力集中。当应力最大值超过材料的许用应力时就会形成疲劳破坏的发源地，导致疲劳破坏。应力集中引起的疲劳破坏居所有导致疲劳失效因素中的首位。试验表明，零件上缺口引起应力集中使疲劳极限降低，缺口越尖锐，降低越厉害。五.影响零件疲劳强度的因素(粗糙度、应力状态、成分和性能的变化等)表面粗糙度越低，表面越粗糙，疲劳极限越低。表面变形强化处理使表面塑性变形抗力增加，在表面层内形成残余压应力，有效的提高疲劳极限。材料的疲劳极限随试样尺寸增大而降低,这种现象称为疲劳强度的尺寸效应。喷丸处理渗氮处理2)表面状态和尺寸因素1)过载和载荷交变频率过载将造成过载损伤，降低材料的疲劳极限。外加载荷交变频率对疲劳极限的影响，一般在交变频率超过104次/min（约170次/s）时，频率增加，疲劳极限增加。2）使用温度使用温度升高，材料的疲劳极限降低，温度降低则使疲劳极限增加。3)环境介质零件在腐蚀介质中工作时的零件表面被腐蚀形成缺口，产生应力集中而使零件材料的疲劳极限下降。3.使用条件一定条件下凡使材料的强度提高的因素，一般来说也可使其疲劳强度提高。钢中的碳和合金元素均可使其强度、疲劳强度提高。钢中含碳量增加，疲劳强度随之增加。同一成分的材料，热处理工艺不同，其所获的金相组织不同，疲劳强度则有很大的不同。例如片状珠光体共析钢与粒状珠光体共析钢的疲劳强度分别239MPa和292MPa。钢中的夹杂物越少其疲劳强度越高。4.材料的成分、组织和夹杂物1.高温疲劳定义：零件在高于材料的0.5Tm（Tm用绝对温度表示的熔点）或高于其再结晶温度时，在交变应力（机械、热）作用下引起疲劳破坏的过程。»中温疲劳：高于常温，低于0.5Tm的疲劳。典型零件：汽轮机的叶片、柴油机的排气阀等。六、高温疲劳和热疲劳1)高温下材料的疲劳极限用规定循环周次下的疲劳极限表示，取5×107或108次。2)高温疲劳总伴随发生蠕变一般当材料温度高于0.3Tm时蠕变显著发生，引起材料的疲劳极限急剧降低。当疲劳曲线没有明显的水平部分时，一般规定疲劳寿命N0＝5×107－108时的最大应力值为条件疲劳极限。高温疲劳具有以下特点:材料的蠕变极限随温度变化曲线1与疲劳极限随温度变化曲线2相交于一点。当温度低于此点对应温度时，材料以疲劳破坏为主，高于此温时以蠕变破坏为主。图4-15含碳量为0.15%钢的蠕变极限1和疲劳极限23)高温下疲劳极限与高温强度2、热疲劳定义：零件在由交变温度多次反复作用下引起疲劳破坏的现象。（1）热应力★柴油机工作时：缸盖外表或冷面温度：60～80℃，而触火面的高温区的温度为400～480℃。由触火面传来的热量被冷却水带走，冷却水温度为70℃左右。触火面受热膨胀，但受外表面或冷面的制约，结果外表面或冷面受拉，而触火面受压（温差越大，应力越大）。★停车后，触火面温度降低，在温度尚未达到环境温度时，材料所受的压缩应力就已经消失完毕。当温度继续降低时，触火面产生了残余拉应力。缸盖在“加热—冷却”的多次循环后，交变的热应力就会导致疲劳裂纹的产生。因此，缸盖疲劳裂纹产生的主要原因是热负荷过高。分为定常热应力和不定常热应力。热应力热疲劳是零件在循环热应力反复作用下产生的疲劳破坏。产生热疲劳必满足两个条件:一是温度循环变化，二是零件热变形受到约束。热疲劳破坏实际上是由塑性应变引起的，并且是塑性应变损伤累积的结果，是一种高温高应变疲劳。在热疲劳过程中由于高温引起材料内部组织结构变化，零件截面上存在温度梯度，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。2）热疲劳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。金属材料对热疲劳的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。热疲劳裂纹(1)尽可能地减少甚至消除零件上的应力集中和应变集中;(2)提高材料的高温强度;(3)提高材料的塑性;(4)降低材料的热膨胀系数。提高材料热疲劳的途径主要有: