《轮机维护与修理第四章(培训教材)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《轮机维护与修理第四章(培训教材)（47页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、13:43,Chapter 4 船机零件的疲劳破坏 （Fatigue Fracture）,柴油机许多零件（如曲轴、活塞、缸盖、齿轮、连杆螺栓等）承受着交变载荷的作用，经过长时间运行后会发生断裂，而在这些断裂中，疲劳断裂占到了8090。,交变应力疲劳破坏,13:43,Chapter 4 船机零件的疲劳破坏 （Fatigue Fracture）,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： 疲劳破坏的定义 疲劳断裂的过程 零件材料的疲劳强度与哪些因素有关？ 高温疲劳和热疲劳,13:43,4-1 金属疲劳破坏 4-2 柴油机气缸盖（Cylinder head）的疲劳破坏
2、 4-3 曲轴（Crankshaft）的疲劳破坏 练习题,本章主要内容,13:43,4-1 金属疲劳破坏,3 疲劳断裂的特点,4 影响疲劳强度的因素,13:43,1.1 疲劳断裂定义,疲劳断裂： 零件或材料在交变载荷长时间作用下，在应力b(甚至s)情况下，产生裂纹或突然断裂这种现象，称为。 说明： （1）应力：机械应力和热应力（交变）。 交变应力：大小、方向随时间发生周期性变化的应力，由交变载荷引起。 平均应力：m=(max +min)/2 应力幅值：a=(max -min)/2 应力循环特征：= min/ max ； 当=-1时，为对称循环。 （2）破坏： 裂纹和断裂。,13:43,1.1
3、疲劳断裂定义,（3）疲劳断裂特征：（零件发生疲劳断裂时具有以下特征） 零件是在交变载荷作用下经过较长时间的使用； 断裂应力小于抗拉强度b，甚至小于屈服强度s； 断裂是突然的、无任何先兆； 断口形貌特殊，断口上有明显不同的区域； 零件的几何形状、尺寸、表面质量和表面受力状态等均直接影响零件的疲劳断裂。,13:43,1.2 疲劳断裂的种类,1）根据应力大小和循环次数分： 高周疲劳破坏 特点： 小，应力循环次数大（105）,最常见（曲轴、弹簧等断裂）。 低周疲劳破坏 特点：应力大（s）,低频加载，应力循环次数104105 （如压力容器、高压管道等的断裂破坏） 2）根据工作环境等分类： 热疲劳：因零件
4、受温度变化引起热应力反复作用造成的疲劳破坏。如缸盖疲劳裂纹。 腐蚀疲劳：由于交变应力与腐蚀介质的共同作用而导致的疲劳破坏。 接触疲劳破坏： 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。 其它疲劳形式：如接触疲劳、微动磨损疲劳和激冷疲劳等。 3）按应力种类分：弯曲疲劳、扭转疲劳、复合疲劳等。,13:43,1.3 疲劳抗力指标,表征零件材料抗疲劳性能的力学参数，主要有：,1）疲劳极限,2）过载抗力,3）疲劳缺口敏感度,13:43,1）疲劳极限,疲劳极限（MPa）： 当应力低于某一数值时，循环无限次，材料也不会发生疲劳断裂，该应力称为材料的疲劳极限。 材料的疲劳极限
5、由试验测定： 例如，常温下的碳钢、合金结构钢和铸铁，在n达107后曲线出现水平阶段。所以这类材料是以N107时不断的最大应力作为疲劳极限。,13:43,2）过载抗力,过载抗力： 衡量过载对材料疲劳抗力的影响指标。例如，柴油机紧急刹车、起动或超负荷运转等。 过载危害： 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，降低材料疲劳极限，导致零件疲劳破坏。 原因： 过载引发材料内部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。 因零件短时间过载不可避免，故零件选材时宜选用过载抗力较高材料。,13:43,3）疲劳缺口敏感度,零件表面开键槽、油孔、螺纹等各种缺口时
6、，会在缺口根部产生应力集中，使材料疲劳强度降低。 疲劳缺口敏感度：g（Kf1）/（Kt1） 式中：Kt静力理论应力集中系数，Ktmax /； Kf疲劳应力集中系数，Kf1 1n 。 Kt：与缺口的几何形状、尺寸及缺口曲率半径有关，与材料性能无关。Kt值可从机械工程手册中查得。 Kf：与缺口的形状、尺寸和材料性能有关。 Kf值由材料试验所得。 在中等强度范围内，材料强度越高，Kf值越大，一般KfKt。 当KfKt时，g1，表示此时疲劳应力集中最严重，缺口最敏感； 当Kf1时，11n，则g =0，表示零件虽有缺口但不影响材料1，缺口最不敏感。 材料的缺口敏感度g 在01之间。g值越小，缺口越不敏感
7、。 铸铁对缺口极不敏感，g0.1；一般结构钢对缺口较为敏感，g0.550.80。,13:43,2 疲劳断裂的机理,13:43,2.1 疲劳断裂的断口特征,零件或构件疲劳断裂后，断口形貌呈现从裂纹产生到裂纹扩展，直至断裂的全过程。可根据断口形貌特征来分析零件的断裂原因。 弯曲疲劳断裂和扭转疲劳断裂宏观形貌，分为三个区域： （1）疲劳源 用肉眼或低倍放大镜在断口上可找到一个或多个疲劳裂纹的开始点，称为疲劳源。疲劳源一般出现在零件表面或近表面处。 （2）裂纹扩展区 呈光滑状或贝纹状，一般占较大面积。光滑状是两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
8、四周扩展并与裂纹扩展方向垂直。 （3）最后断裂区域称脆断区 零件瞬间突然断裂，断口晶粒较粗大，与发暗的裂纹扩展区明显不同。脆性材料呈结晶状；塑性材料呈纤维状。 交变应力反复作用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。,13:43,弯曲疲劳、扭转疲劳断裂的宏观形貌,13:43,2.2 疲劳断裂的过程,疲劳断裂过程三个过程： 1) 疲劳裂纹的形成： 形成部位：应力最大、薄弱环节。在截面突变、有切槽的地方、加工缺陷处等有较大应力集中。 2) 疲劳裂纹的扩展： 第一阶段：切向扩展阶段。沿最大切应力（与正应力成45角）的方向金属内部扩展，深度较浅(0.1mm)，扩展速度很小。 第
9、二阶段：裂纹改变方向，沿与正应力垂直方向扩展，正应力对裂纹的扩展起重要作用。 3) 疲劳断裂 最后断裂区的面积与所受载荷有关，面积大，说明过载越重。当其面积小于断口面积的一半时，说明零件无过载或过载很小。,13:43,3 疲劳断裂的特点,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) 工作应力小于材料的强度极限，甚至小于屈服强度； 4) 零件的几何形状、尺寸、表面质量和表面受力状态直接影响零件的疲劳断裂； 5) 断口形貌特殊：分三个区（每个区对应一个过程）。 疲劳源：一般出现在零件的表面。一般有12个。 裂纹扩展区：呈贝纹状，是裂纹扩展留下的痕迹。 最后断
10、裂区：晶粒粗大。 所占面积越大，超过断口面积一半以上，说明零件承受严重的过负荷，其寿命也越短。若所占面积较小，小于断口面积之半时，说明零件无过载或过载很小。 在相同条件下，高应力状态零件最后断裂区面积大于低应力状态零件；疲劳源数目不同，单相弯曲仅有1个，双向弯曲有2个；最后断裂区形状不同，单相弯曲与扭转弯曲相比，后者的疲劳源与最后断裂区相对位置发生偏转，同时由于零件上缺口应力集中的影响较大，最后断裂区很小且与零件断面呈同心状。,13:43,13:43,13:43,13:43,4 影响疲劳强度的因素,外部因素： 零件的形状、尺寸、表面粗糙度和使用条件等； 内部因素： 材料的成分、组织、夹杂物和表
11、面应力状态等。 疲劳强度是零件设计、选材和制订加工工艺时的重要参数，直接关系到零件使用寿命。 主要包括：,4.1 应力集中,4.2 表面状态和尺寸因素,4.3 使用条件,4.4 材料的成分、组织和夹杂物,13:43,4.1 应力集中,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，降低越严重。,13:43,4.2 零件加工的表面状态和尺寸因素,1）表面状态： 指表面粗糙度、表面成分和性能的变化、表面残余应力等。 粗糙度：表面粗糙 -1。如钢、铝合金粗车-1比抛光低1020。 表面强化处理：表面强化零件表面化学成分和组织变化 表
12、面机械性能变化。如经渗碳或氮化处理光滑钢试样弯曲、扭转疲劳极限15100；缺口试样经渗碳或氮化处理疲劳极限达230300。柴油机曲轴采用此种强化工艺。 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，提高疲劳极限。滚压、喷丸等工艺用来提高零件的疲劳极限。 2）疲劳强度的尺寸效应： 材料尺寸 -1 ，强度越高疲劳极限下降越快。该现象称为。 原因是：疲劳源于表面，尺寸表面积 表面疲劳破坏概率 。 （加工尺寸大1倍的曲轴，价格增加决不止1倍。）,13:43,4.3 使用条件,1）过载： 过载将造成过载损伤，材料的疲劳极限 。 2）使用温度： 温度材料疲劳极限，温度疲劳极限。 但温
13、度过低材料变脆材料疲劳极限。 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。,13:43,4.4 材料的成分、组织和夹杂物,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。 1）热处理： 热处理对材料疲劳强度的影响材料成分对疲劳强度的影响。 2）除杂 钢中的非金属夹杂物是产生疲劳裂纹的发源地，钢中的夹杂物越少其疲劳强度越高。,13:43,4-2 柴油机气缸盖（Cylinder head）的疲劳破坏,13:43,1.1 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，受到循环
14、交变应力作用所引起的疲劳破坏。 汽轮机和燃气轮机叶轮和叶片、柴油机排气阀等处于该工作状态。 原因： 在高温下，材料持久强度、蠕变极限、疲劳极限均下降。 中温疲劳： 高于常温，低于0.5 Tm的疲劳称为中温疲劳。,13:43,高温疲劳的特点,1）高温疲劳曲线中不出现（图44）水平部分 交变应力循环周次疲劳极限。故高温下材料疲劳极限用规定循环周次下的疲劳极限表示，一般取5107或108次。 2）高温疲劳总伴随蠕变发生 温度蠕变疲劳和蠕变交互作用。 不同材料发生蠕变温度不同，当材料温度高于0.3 Tm时蠕变显著发生。例如碳钢温度超过300350，合金钢温度超过350400时发生蠕变，引起材料疲劳极限
15、急剧降低。 实验表明：温度材料蠕变极限、持久强度疲劳极限。 温度材料蠕变极限、持久强度和疲劳极限。 但蠕变极限、持久强度速度疲劳极限。当温度较低时，材料以疲劳破坏为主；温度较高时，以蠕变破坏为主。,13:43,1.2 热疲劳,1）热应力,2）热疲劳,13:43,1）热应力,柴油机工作时： 缸盖外表或冷面温度：6080，而触火面的高温区的温度为400480。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。由于缸盖的材料铸铁在高于350时，抗蠕变能力下降，导致压缩蠕变，使压应力下降，应力得到松弛。 停车后： 触火面
16、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，产生了拉应力。 低频热应力裂纹产生部位： 缸盖在“加热冷却”的多次循环后，交变的热应力就会导致触火面疲劳裂纹产生。（低频热应力） 因此，缸盖疲劳裂纹产生的主要原因是热负荷过高。,13:43,1）热应力的几个概念,根据热应力与时间关系分定常热应力和不定常热应力。 定常热应力：指不随时间变化的热应力。柴油机稳定运转时，零件温度处于热稳定状态。由冷态热稳定状态，燃烧室零件上的热应力为。 不定常热应力：指随时间变化的热应力。 根据热应力变化频率分为：高频热应力与低频热应力。 高频热应力：柴油机运转时，燃烧室零件触火面温度随着工作循环变化而变化，热应力频率高
