船机零件的疲劳破坏

1、第四章第四章 船机零件的疲劳破坏船机零件的疲劳破坏在船机零件断裂中，疲劳断裂占在船机零件断裂中，疲劳断裂占80809090。曲轴、活塞、缸盖、齿轮、连杆螺栓曲轴、活塞、缸盖、齿轮、连杆螺栓等承受交变载荷的零件。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，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甚至会立即酿成严重事故，造成生命和财产的重大损失。大损失。断裂危害断裂危害重点重点：疲劳破坏的机理：疲劳破坏的机理难点难点：气缸盖和曲轴的疲劳破坏：气缸盖

2、和曲轴的疲劳破坏要求掌握的知识点要求掌握的知识点： 疲劳破坏的特征、种类、机理疲劳破坏的特征、种类、机理 零件材料的疲劳强度影响因素零件材料的疲劳强度影响因素 气缸盖和曲轴的疲劳破坏气缸盖和曲轴的疲劳破坏断裂后的主轴承盖断裂后的主轴承盖 活塞损坏活塞损坏 本章重难点本章重难点第一节第一节 疲劳破坏疲劳破坏定义定义: :零件材料长时间零件材料长时间在在交变载荷交变载荷作用下产生作用下产生裂纹和断裂的现象裂纹和断裂的现象. .疲劳破坏疲劳破坏1 1突发性：突发性：断裂前无明显的塑变；断裂前无明显的塑变；2 2疲劳断裂前零件一般经疲劳断裂前零件一般经较长时间较长时间的使用；的使用；3 3工作应力工作

3、应力小于小于 b b（甚至小于（甚至小于 s s）；）；4 4零件的零件的几何特征和表面受力几何特征和表面受力状态影响直接；状态影响直接；5 5断口形貌断口形貌特殊：特殊：分三个区（各对应一个过程）。分三个区（各对应一个过程）。疲劳断裂的特点疲劳断裂的特点交变应力的反复作用交变应力的反复作用产生微观疲劳裂纹产生微观疲劳裂纹裂纹扩展（时而扩展，时而停止）裂纹扩展（时而扩展，时而停止）承载面承载面积减少积减少最后断裂。最后断裂。疲劳原理疲劳原理（1 1）高周疲劳：）高周疲劳：低应力、高寿命低应力、高寿命。应力较低，小于。应力较低，小于 s，应力循环周数超过，应力循环周数超过106107。如曲轴、弹

4、簧。如曲轴、弹簧 的断裂。的断裂。一、疲劳断裂的种类一、疲劳断裂的种类 高应力、低寿命高应力、低寿命。应。应力近于或等于屈服极力近于或等于屈服极限，应力循环周数少限，应力循环周数少于于104105。例如，。例如，压力容器、高压管道压力容器、高压管道的裂纹和断裂。的裂纹和断裂。（2 2）低周疲劳）低周疲劳 由于零件受热温度变化引起热应力的反复作用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，柴油机造成的疲劳破坏。例如，柴油机气缸盖、气缸气缸盖、气缸套套受热面的裂纹。受热面的裂纹。（3 3）热疲劳）热疲劳（4 4）腐蚀疲劳）腐蚀疲劳 零件或材零件或材料在腐蚀性介质中受到腐料在腐蚀性

5、介质中受到腐蚀，并在交变载荷作用下蚀，并在交变载荷作用下产生的疲劳破坏。产生的疲劳破坏。（5 5）接触疲劳）接触疲劳 由于接由于接触应力的反复作用，导触应力的反复作用，导致形成金属剥落，形成致形成金属剥落，形成麻点。如滚动轴承、齿麻点。如滚动轴承、齿轮等的破坏。轮等的破坏。一、疲劳断裂的种类一、疲劳断裂的种类表征零件材料抗疲劳性能的力学参数，主要表征零件材料抗疲劳性能的力学参数，主要有有: :疲劳极限、超载抗力、疲劳缺口敏感度疲劳极限、超载抗力、疲劳缺口敏感度等。等。1）疲劳极限）疲劳极限当应力低于某一值时，循环无当应力低于某一值时，循环无限次也不会发生疲劳断裂，该限次也不会发生疲劳断裂，该应

6、力称为材料的应力称为材料的疲劳极限疲劳极限。所以，材料的疲劳极限或称疲所以，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循环的作用而不破坏的最大应力，用符号力，用符号r r表示表示二、疲劳抗力指标二、疲劳抗力指标cdecde为过载损害区，为过载损害区，cdcd为过载损害界。材为过载损害界。材料的过载损害区越狭料的过载损害区越狭窄，或过载持久线窄，或过载持久线eded越陡直，则过载抗力越陡直，则过载抗力越高。由于零件短时越高。由于零件短时间过载不可避免，所间过载不可避免，所以零件选材时宜选用以零件选材时宜选用过载损害区狭窄而又过载损害区狭窄而

7、又较陡直较陡直的材料。的材料。 2 2）过载抗力）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缺口时，在使用中就会在缺口的根部产生应力集中应力集中，使，使材料的疲劳强度降低。采用材料的疲劳强度降低。采用缺口敏感度缺口敏感度来表示疲劳强度来表示疲劳强度降低的程度。材料的缺口敏感度降低的程度。材料的缺口敏感度0q10q1。q q值越小，缺口值越小，缺口越不敏感越不敏感。铸铁铸铁对缺口极不敏感，对缺口极不敏感，q0.1q0.1。一般。一般结构钢结构钢对对缺口较为敏感缺口较为敏感,q,q0.550.550.

8、800.803 3）疲劳缺口敏感度）疲劳缺口敏感度 疲劳源疲劳源 裂纹扩展区裂纹扩展区：呈：呈光滑状光滑状或贝纹状或贝纹状，贝纹从，贝纹从疲劳疲劳源源开始后向四周开始后向四周扩展扩展并并与裂纹方向垂直与裂纹方向垂直。 最后断裂区最后断裂区: :断口晶粒断口晶粒较较粗大粗大 三、疲劳断裂断口特征三、疲劳断裂断口特征四、疲劳断裂的过程四、疲劳断裂的过程疲劳断裂的过程包含三个过程：疲劳断裂的过程包含三个过程：（1）疲劳裂纹的形成）疲劳裂纹的形成（2）裂纹的扩展）裂纹的扩展（3）断裂。）断裂。 疲劳裂纹的裂纹源位于疲劳裂纹的裂纹源位于零件表面应力最大零件表面应力最大处处，即有，即有应力集中应力集中的部

9、位或零件近表面的材的部位或零件近表面的材料内部，即内部有严重的料内部，即内部有严重的冶金缺陷冶金缺陷或或组织缺组织缺陷陷处。处。 零件表面上的零件表面上的裂纹源裂纹源多是由于零件表多是由于零件表面上有油孔、过渡圆角台阶、粗大的刀痕等面上有油孔、过渡圆角台阶、粗大的刀痕等应力集中的缺口应力集中的缺口，或是由于零件材料表面晶，或是由于零件材料表面晶粒较内部晶粒容易发生粒较内部晶粒容易发生滑移滑移和容易受到腐蚀。和容易受到腐蚀。1 1、疲劳裂纹的形成、疲劳裂纹的形成 (a) 在晶界附近起源在晶界附近起源 (b) 在滑移带的缺口处起源在滑移带的缺口处起源滑移带中的挤出、挤入现象滑移带中的挤出、挤入现象

10、2 2、疲劳裂纹的扩展：、疲劳裂纹的扩展：第二阶段：第二阶段：贝纹状断面贝纹状断面3 3、断裂、断裂(1)(1)疲劳源疲劳源大多大多分布于分布于零件表面，零件表面，一般有一般有1 12 2个。个。(2)(2)疲劳裂纹疲劳裂纹扩展呈扩展呈贝纹状贝纹状时，时，贝纹细密贝纹细密、间距、间距小，表示材料小，表示材料抗抗疲劳性能好疲劳性能好，疲疲劳强度高劳强度高。贝纹贝纹稀疏稀疏、间距大。、间距大。表示材料表示材料疲劳强疲劳强度低度低。( (3)3)最后最后断裂区断裂区所占所占面积很大面积很大，甚至超过断面的甚至超过断面的一半以上，说明一半以上，说明零件零件严重过载严重过载: :若所占若所占面积较小面积

11、较小或小于断面一半或小于断面一半时，说明零件时，说明零件无无过载或过载很小过载或过载很小（4 4）在相同条）在相同条件下，件下，高应力高应力状状态零件的最后断态零件的最后断裂区的面积裂区的面积大于大于低应力低应力状态零件状态零件的最后断裂区的的最后断裂区的面积；承受单向面积；承受单向弯曲的零件仅有弯曲的零件仅有l l个疲劳源，承受个疲劳源，承受双向弯曲的零件双向弯曲的零件有有2 2个疲劳源。个疲劳源。1)1)应力集中应力集中( (台阶、键槽、油孔或螺纹等截面台阶、键槽、油孔或螺纹等截面变化处变化处, ,零件内部缺陷零件内部缺陷) ) 这些部位均会引起这些部位均会引起应力集中应力集中。当应力。当

12、应力最大值最大值超过材料的超过材料的许用应许用应力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起的疲劳破坏居所有导致疲劳失效因素中的首位首位。试验表明，。试验表明，零件上零件上缺口引起应力集中缺口引起应力集中使疲劳极限降低，缺口越尖锐，降低使疲劳极限降低，缺口越尖锐，降低越厉害。越厉害。五五. .影响零件疲劳强度的因素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粗糙度、应力状态、成分和性能的变化等) )表面表面粗糙度越低粗糙度越低，表面越粗糙，表面越粗糙，疲劳极限越低疲劳极限

13、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，在表面层内形成成残余压应力残余压应力，有效的，有效的提高提高疲劳极限。疲劳极限。 材料的材料的疲劳极限随试样尺寸增大而降低疲劳极限随试样尺寸增大而降低, , 这种现象称为疲这种现象称为疲劳强度的劳强度的尺寸效应尺寸效应。喷喷丸丸处处理理渗渗氮氮处处理理2)2)表面状态和尺寸因素表面状态和尺寸因素 1) 1)过载和载荷交变频率过载和载荷交变频率 过载过载将造成过载损伤，将造成过载损伤，降低材料的疲劳极限降低材料的疲劳极限。外加载荷交变。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频率对疲劳极

14、限的影响，一般在交变频率超过10104 4次次/min/min（约（约170170次次/s/s）时，）时，频率增加，疲劳极限增加频率增加，疲劳极限增加。 2 2）使用温度）使用温度 使用使用温度升高温度升高，材料的，材料的疲劳极限降低疲劳极限降低，温度降低则使疲劳极，温度降低则使疲劳极限增加。限增加。 3) 3) 环境介质环境介质 零件在零件在腐蚀介质腐蚀介质中工作时的零件表面被腐蚀形成缺口，产生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应力集中而使零件材料的疲劳极限下降疲劳极限下降。 3. 3.使用条件使用条件一定条件下凡使材料的一定条件下凡使材料的强度提高强度提高的因素，

15、一般来说也可使的因素，一般来说也可使其其疲劳强度提高疲劳强度提高。钢中的碳和合金元素均可使其强度、疲。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。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，其所获的金相同一成分的材料，热处理工艺不同，其所获的金相组织不组织不同，疲劳强度则有很大的不同同，疲劳强度则有很大的不同。例如片状珠光体共析钢与。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粒状珠光体共析钢的疲劳强度分别239MPa239MPa和和292MPa292MPa。钢中的钢中的夹杂物越少其疲劳强度越高夹杂物越少其疲劳强度越

16、高。4. 4. 材料的成分、组织和夹杂物材料的成分、组织和夹杂物六、高温疲劳和热疲劳六、高温疲劳和热疲劳1) 1) 高温下材料的疲劳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，取极限用规定循环周次下的疲劳极限表示，取5 5 10107 7或或10108 8次。次。 2)2)高温疲劳总高温疲劳总伴随发生蠕变伴随发生蠕变 一般当材料一般当材料温度高于温度高于0.3T0.3Tm m 时时蠕变显著发生蠕变显著发生，引起材，引起材料的料的疲劳极限急剧降低疲劳极限急剧降低。当疲劳曲线没有明显的当疲劳曲线没有明显的水平部分时，一般规定水平部分时，一般规定疲劳寿命疲劳寿命N N0 05 510107

17、710108 8 时的最大应力值为时的最大应力值为条件疲劳极限。条件疲劳极限。高温疲劳具有以下特点高温疲劳具有以下特点: :材料的蠕变极限随温度材料的蠕变极限随温度变化曲线变化曲线1 1与疲劳极限随与疲劳极限随温度变化曲线温度变化曲线2 2相交于一相交于一点。当点。当温度低于此点温度低于此点对对应温度时，材料应温度时，材料以疲劳以疲劳破坏为主，高于破坏为主，高于此温时此温时以蠕变破坏为主。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)3)高温下疲劳极限与高温强度高温下疲劳极限与高温强度 2 2、热疲劳热疲劳热应力热应力 热疲劳热疲劳是零件在循环热应力反复作用下产生

18、是零件在循环热应力反复作用下产生的疲劳破坏。产生热疲劳必满足的疲劳破坏。产生热疲劳必满足两个条件两个条件: :一是一是温度循环变化，二是零件热变形受到约束。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，是一种高温高应且是塑性应变损伤累积的结果，是一种高温高应变疲劳。变疲劳。 在热疲劳过程中由于高温引起材料内部组织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，促进热疲劳破坏的度最大处造成塑性应变集中，促进热疲劳破坏的发生。发生。 2 2）热疲劳）热疲劳 零件热疲劳破坏是以受热表面上产生特有的零件热疲劳破坏是以受热表面上产生特有的龟裂裂龟裂裂纹纹为特征。热疲劳裂纹与循环温差、零件表面缺口为特征。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，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。就越容易发生热疲劳。 金属材料对金属材料对热疲劳的抗力热疲劳的抗力不但不但 与材料的导热性、比热等热与材料