轮机维护与修理 第四章(培训教材)

Chapter4船机零件的疲劳破坏

（FatigueFracture）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80～90％。交变应力→疲劳破坏16:31Chapter4船机零件的疲劳破坏

（FatigueFracture）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16:31

§4-1金属疲劳破坏

§4-2柴油机气缸盖（Cylinderhead）的疲劳破坏

§4-3曲轴（Crankshaft）的疲劳破坏☆练习题本章主要内容16:31§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1.1定义1.2疲劳断裂的种类1.3疲劳抗力指标1疲劳断裂的概述2.1疲劳断裂的断口特征2.2疲劳断裂的过程2疲劳断裂的机理16:311.1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：σm=(σmax+σmin)/2应力幅值：σa=(σmax-σmin)/2应力循环特征：ｒ=σmin/

σmax；当ｒ=-1时，为对称循环。（2）破坏：裂纹和断裂。16:311.1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）①零件是在交变载荷作用下经过较长时间的使用；②断裂应力小于抗拉强度σb，甚至小于屈服强度σs；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。16:311.2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104～105（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。16:311.3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16:311）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N＝107时不断的最大应力作为疲劳极限。16:312）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。16:313）疲劳缺口敏感度零件表面开键槽、油孔、螺纹等各种缺口时，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＝（Kf－1）/（Kt－1）式中：Kt——静力理论应力集中系数，Kt＝σmax

/σ；

Kf——疲劳应力集中系数，Kf＝σ－1／σ－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Kf≤Kt。当Kf＝Kt时，g＝1，表示此时疲劳应力集中最严重，缺口最敏感；当Kf＝1时，σ－1＝σ－1n，则g=0，表示零件虽有缺口但不影响材料σ－1，缺口最不敏感。材料的缺口敏感度g

在0～1之间。g值越小，缺口越不敏感。铸铁对缺口极不敏感，g＜0.1；一般结构钢对缺口较为敏感，g＝0.55～0.80。16:312疲劳断裂的机理2.1疲劳断裂的断口特征2.2疲劳断裂的过程16:31

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。⊕16:31弯曲疲劳、扭转疲劳断裂的宏观形貌16:312.2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。⊕

16:313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）。①疲劳源：一般出现在零件的表面。一般有1～2个。②裂纹扩展区：呈贝纹状，是裂纹扩展留下的痕迹。③最后断裂区：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。16:3116:3116:3116:314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16:314.1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。16:314.2零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→σ-1↓。如钢、铝合金粗车σ-1比抛光低10～20％。表面强化处理：表面强化零件表面化学成分和组织变化→表面机械性能变化。如经渗碳或氮化处理光滑钢试样弯曲、扭转疲劳极限↑15％～100％；缺口试样经渗碳或氮化处理疲劳极限↑达230％～300％。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↑→σ-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。）16:314.3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。16:314.4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。◎16:31§4-2柴油机气缸盖（Cylinderhead）的疲劳破坏1.1高温疲劳1.2热疲劳1.3提高抗热疲劳的途径1高温疲劳和热疲劳2.1底面（触火面）裂纹2.2冷面（触水面）裂纹2.3外表面裂纹2气缸盖的疲劳破坏16:311.1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0.5Tm的疲劳称为中温疲劳。◎16:31高温疲劳的特点1）高温疲劳曲线中不出现（图4－4）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5×107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0.3Tm时蠕变显著发生。例如碳钢温度超过300～350℃，合金钢温度超过350℃～400℃时发生蠕变，引起材料疲劳极限急剧降低。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。

16:311.2热疲劳1）热应力2）热疲劳16:311）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。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。

16:311）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，热应力频率高但受热深度浅。高频变化的燃气高温引起的热应力为～。零件触火面高频热应力最大，随深度减小。低频热应力：柴油机起动、停车或变工况运行时，燃烧室零件温度随时间发生动态变化产生不定常热应力。该热应力变化频率与运转中起动、停车或工况变化的频率相同，频率较低，属于～。热应力大小与负荷变化速度有关。负荷突变会引起过大低频热应力，导致零件热疲劳破坏。16:312）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。产生热疲劳须满足的两个条件：★温度循环变化：温差△T循环变化→热应力循环变化→热疲劳。★零件热变形受到约束零件材料受热膨胀变形：α·△T（α为材料的线膨胀系数），如果该变形完全被约束就会引起热应力△σ＝-E·α·△T。当热应力超过材料高温下的屈服极限时产生局部塑性变形，经过一定循环次数或当△T较大时经过较少的循环次数就会产生疲劳裂纹。结论：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。16:31热疲劳抗力的影响因素及提高措施1）影响因素：导热性：导热性↓→温差△T↑→热应力↑；比热：比热↑→温度↑→热应力↑；温度↑→疲劳极限↓；弹性模量E：E↑→膨胀约束时应力↑；膨胀系数α：α↑→膨胀↑，受约束时应力↑。导热性差的脆性材料，如灰口铸铁容易发生热疲劳破坏。2）提高材料热疲劳抗力的途径：1）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。16:312.1缸盖底面（触火面）裂纹原因：热负荷↑↑；安装、使用不正确引起（如紧固过度、用力不均等；冷却水中断、暖机不够、水温过低）。受力分析：1）工作时，Pz→底面上拱弯曲→压应力（随工作循环交变）。2）底面高温达400℃～500℃，若冷却不良，t>0.5Tm(灰铸铁熔点)→高温疲劳破坏。3）底面温度t＞0.3Tm时，底面→蠕变↑，底面压应力↓↓。4）触火面与冷却面温差达300～400℃，底面和冷却面→压、拉热应力，停车或负荷突降→底面压应力↓→消失，甚至产生残余拉应力。柴油机运转中，高温→材料σ－1↓，低频热应力＞σ－1时→底面疲劳裂纹产生。结论：缸盖底面裂纹，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。若裂纹呈龟裂状，则可断定为热疲劳裂纹。16:312.2冷面（冷却水侧）裂纹原因：由周期性脉动pz引起应力作用造成。分析：1）Pz→缸盖底面上拱变形，水冷面→拉应力。2）若冷却水通道筋根部过渡圆角过小或者存在铸造缺陷时，应力集中→裂纹；在周期性（高频）脉动pz作用下，水冷面疲劳。水道环形筋根部→机械疲劳裂纹，向触火面扩展。3）水冷面在水中→微观电化学腐蚀；局部区域可能沸腾，水中可溶性盐类的酸根离子Cl－、SO4――等与金属→电化学腐蚀；水中溶解有氧，金属氧化。水温↑→腐蚀↑。以上腐蚀条件下，材料疲劳强度下降，在气缸中燃气循环交变Pz作用下产生腐蚀疲劳破坏。16:312.3缸盖外表面裂纹四冲程机中常见，主要是安装用力不均或紧固过度引起。小结：1）缸盖及燃烧室其它组件的疲劳裂纹，与轮机员管理工作密切相关。2）避免产生过大的热应力就能避免产生热疲劳裂纹。要求：缸盖等零件不能热态时急冷和冷态下急热或工作时过热。如柴油机起动前应充分暖机，起动后缓慢增速增负荷；停车时应让冷却水继续循环，不使机件散热不良或局部过热；避免长期超负荷；防止气缸盖冷却水腔结垢严重等。16:31§4-3曲轴(Crankshaft)的疲劳破坏曲轴在回转中受各缸交变气体力、往复惯性力和离心力及由其所引起的弯矩、扭矩的作用。这些力不仅随曲柄转角变化，也随负荷变化。曲轴的形状复杂，截面变化多，刚度不足，受力复杂。曲轴的疲劳属于高周低应力疲劳破坏。1.1弯曲疲劳裂纹（BendingFatigueCrack）1.2扭转疲劳裂纹（TorsionFatigueCrack）1.3弯曲—扭转疲劳裂纹（CompoundFatigueCrack）2防止或减少疲劳裂纹的主要方法1曲轴疲劳裂纹的种类16:311.1弯曲疲劳裂纹（BendingFatigueCrack）1）发生时期及原因：一般发生在曲轴长期运转后，由于主轴承（mainbearings）不均匀磨损→曲轴轴线不正→附加弯曲应力加大。2）断裂部位：一般在曲柄销（Crankpin）或主轴颈（Crankshaftjournal）与曲柄臂连接的过渡圆角处，沿曲柄臂断裂。结论：须控制主轴承不均匀磨损，确保轴线平直。16:311.2扭转疲劳裂纹（TorsionFatigueCrack）1）原因及发生时期：扭矩产生应力+扭转振动产生的附加扭转应力。一般发生在曲轴运转初期或曲轴位于临界转速范围内。2）断裂部位：一般发生在油孔或扭转振动节点附近的曲柄处，并在轴颈上沿与轴线成45°角的两个方向扩展，断口与轴线相交45°，断面裂纹线近似螺旋线。⊕16:311.3弯曲—扭转疲劳裂纹（CompoundFatigueCrack）生产实践表明：曲轴的弯曲疲劳多于扭转疲劳。原因：弯曲应力的应力集中系数比扭转应力集中系数大，且弯曲应力难以精确计算（导致应力的因素：各主轴承的磨损难以掌握和控制，因此造成的附加弯曲应力难计算）。16:312防止或减少曲轴疲劳裂纹的主要方法总体上说：消除或降低零件上的应力集中和附加应力，即消除或减少疲劳裂纹源和降低交变应力。具体措施：1）结构设计2）制造方面3）轮机管理方面16:31结构设计方面减少曲轴疲劳裂纹措施（1）改进不合理的设计；（2）断面突变处的圆角过渡，降低应力集中。曲轴的过渡圆角半径不小于曲柄销径的5％。16:31制造方面减少曲轴疲劳裂纹措施1）消除加工制造过程中的各种应力。消除应力主要采用退火工艺。2）改善表面质量和性能。表面是裂纹策源地，主要方法是：降低粗糙度，对表面进行强化处理（渗C、N等）。对曲轴的过渡圆角进行滚压可使疲劳强度提高20～70％，球墨铸铁曲轴可提高50～90％。16:31轮机管理方面减少曲轴疲劳裂纹措施加强主、副柴油机管理，尤其加强曲轴维护保养，对减少曲轴疲劳破坏，延长使用寿命和柴油机正常运转很重要。1）定期检测曲轴臂距差监控曲轴轴线状态和主轴承下瓦的磨损情况，防止曲轴弯曲疲劳破坏；及时了解曲轴轴线状态并及时调整。减少附加弯曲应力。2）加强主轴承润滑定期检测主轴颈与主轴承配合间隙，防止轴承下瓦过度磨损，减少冲击。3）柴油机运转时，避免在转速禁区持续运转。4）加强扭振减振器的维护管理，保证其处于良好的工作状态。16:31参考习题1.零件的疲劳破坏包括：Ⅰ疲劳裂纹；Ⅱ疲劳断裂；Ⅲ变形；Ⅳ韧性断裂；Ⅴ脆性断裂

A.Ⅰ+ⅡB.Ⅰ＋Ⅱ＋ⅢC.Ⅰ＋Ⅱ＋Ⅲ＋ⅣD.Ⅰ＋Ⅱ＋Ⅲ＋Ⅳ＋Ⅴ2.低应力高寿命疲劳称为：

A.低周疲劳B.高周疲劳C.机械疲劳D.热疲劳3.柴油机燃烧时的爆发压力属于：

A.机械负荷B.热负荷C.机械应力D.热应力4.曲轴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，是因为：A.轴颈的应力集中大于曲柄臂B.轴颈的抗扭转截面模数较曲柄臂的小C.轴颈的刚度比曲柄臂大D.轴颈上有油孔5.零件表面的裂纹源多是______的缺口、如油孔、过渡圆角、台阶、粗大刀痕等或材料的组织缺陷。

A.变形B.敏感C.应力D.应力集中√√√√√16:316.疲劳断裂的最后断裂区呈：

A.粗晶状B.细晶状C.贝纹状D.杯锥状7.零件断裂后，其断口上的裂纹扩展区的贝纹线间距小，即贝纹细密，表明零件材料的______高。

A.疲劳强度B.抗拉强度C.持久强度D.抗弯强度8.一般船机零件断裂是属于：

A.韧性断裂B.脆性断裂C.疲劳断裂D.变形断裂9.由于设计不合理或安装不当使零件受到附加应力的作用，容易使零件产生：

A.变形