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1、第四章 船机零件的疲劳破坏船上常常发生船机零件裂纹和断裂的事故。例如主、副柴油机的气缸盖、气缸套和活塞组件的裂纹，曲轴、中间轴或尾轴的裂纹和折断等。船机零件，尤其是主柴油机和轴系零件的裂纹和断裂影响极大，不仅直接危及船舶安全航行，甚至会立即酿成严重事故，造成生命、财产的重大损失。船机零件的裂纹和断裂是由于零件长时间在交变载荷作用下产生的破坏，称为疲劳破坏。疲劳破坏是一种普遍而又严重的失效形式，是船机零件故障模式之一。据统计，生产中因疲劳断裂的零件占断裂零件总数的80% 以上。轮机员对这种损坏形式不仅应该重视，而且还应具有分析零件产生疲劳破坏的原因和防止或减少此种破坏措施的知识。第一节 疲劳破坏
2、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称为疲劳破坏。大小和方向随时间发生周期性变化的载荷称为交变载荷，所引起的应力称为交变应力。零件长期在交变的机械应力或热应力下工作，即使最大工作应力小于静载荷下的屈服极限 s ，但在长期工作后也会产生裂纹或断裂，即产生疲劳破坏。零件发生疲劳断裂时具有以下特征：(1)零件是在交变载荷作用下经过较长时间的使用；(2)断裂应力小干材料的抗拉强度b，甚至小于屈服强度s ；(3)断裂是突然的，无任何先兆；(4)断口形貌特殊，断口上有明显不同的区域；(5)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。一、疲劳破坏的种类(1)按零件所
3、受应力大小和循环周数分类：高周疲劳 为低应力、高寿命的疲劳破坏。应力较低，小于屈服极限，应力循环周数较高，一般超过106107，为最常见的一种疲劳破坏，如曲轴、弹簧等零件的断裂。低周疲劳 为高应力、低寿命的疲劳破坏。应力近于或等于屈服极限，应力循环周数少于104105。例如，压力容器、高压管道、飞机起落架、核反应堆外壳等的裂纹和断裂。使用中应力很高，甚至超过材料的s 但循环周数很少时就发生疲劳破坏。(2)按零件工作环境和接触情况分类：分为大气疲劳、腐蚀疲劳、热疲劳、接触疲劳、微动磨损疲劳和激冷疲劳等。热疲劳 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，柴油机气缸套、气缸盖受热
4、面的裂纹。腐蚀疲劳 零件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。(3)按应力状态分类：有弯曲疲劳、扭转疲劳、轴向拉压疲劳和复合疲劳等。二、疲劳破坏的机理1疲劳断裂的断口特征零件或构件疲劳断裂后，其断口形貌呈现了从裂纹产生到裂纹扩展，直至断裂的全过程。可以根据断口形貌特征来分析零件的断裂原因。图4-1(a)、(b)分别示出弯曲疲劳断裂和扭转疲劳断裂的宏观形貌，分为三个区域：(1)疲劳源 用肉眼或低倍放大镜在断口上可以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，一般占有较大面积。光滑状是两个断裂表面长时间互相
5、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。(3)最后断裂区域 或称脆断区，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。2疲劳断裂的过程零件的疲劳断裂是在较长时间内逐渐形成的破坏。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
6、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
7、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、
8、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12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。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
9、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。 3影响零件疲劳强度的因素 零件材料在交变载荷作用下所能承受的最大交变应力与断裂前应力循环周数之间的关系如图4-4所示。由max一lgN坐标中的疲劳曲线可知，材料承受的最大交变应力max，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max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r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-1，表示。 零件材料的疲劳强度除与
10、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状态是指零件加工表面的粗糙度、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
11、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。4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：疲劳极限、超载抗力、疲劳缺口敏感度等。1）
12、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maxlgN坐标中的疲劳曲线可知，材料承受的最大交变应力max 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r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-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
13、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
14、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i、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。
15、采用缺口敏感度来表示疲劳强度降低的程度。缺口敏感度q表达式为： 式中：Kt =静力理论应力集中系数，； Kf =疲劳应力集中系数，。 Kt是试件缺口根部处的最大应力max与光滑试件横截面上均匀应力之比，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 是光滑试件的疲劳极限-1与缺口疲劳极限-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，-1 =-1H，则q=0，表示零件虽有缺口但不影响材料的疲劳极限-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，q0.1；一般结构钢对缺口较为敏感，q=0.55 0.80。 三、高温疲劳和热疲劳 1高温疲劳 高温疲劳是指零件在高于材料的0.5Tm (用绝对温度表示的熔点)或高于再结晶温度时受到交变应力的作用所引起的疲劳破坏。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。高温疲劳具有以下特点：(1)高温疲劳的疲劳曲线无水平部分，疲劳强度随循环周次 N
