船機(jī)零件的疲勞破壞

1、第四章第四章 船機(jī)零件的疲勞破壞船機(jī)零件的疲勞破壞在船機(jī)零件斷裂中，疲勞斷裂占在船機(jī)零件斷裂中，疲勞斷裂占80809090。曲軸、活塞、缸蓋、齒輪、連桿螺栓曲軸、活塞、缸蓋、齒輪、連桿螺栓等承受交變載荷的零件。等承受交變載荷的零件。船機(jī)零件，尤其是主柴油機(jī)零件和軸系傳動軸的船機(jī)零件，尤其是主柴油機(jī)零件和軸系傳動軸的裂紋和斷裂影響極大，不僅危及船舶的正常營運(yùn)，裂紋和斷裂影響極大，不僅危及船舶的正常營運(yùn)，甚至?xí)⒓瘁劤蓢?yán)重事故，造成生命和財(cái)產(chǎn)的重甚至?xí)⒓瘁劤蓢?yán)重事故，造成生命和財(cái)產(chǎn)的重大損失。大損失。斷裂危害斷裂危害重點(diǎn)重點(diǎn)：疲勞破壞的機(jī)理：疲勞破壞的機(jī)理難點(diǎn)難點(diǎn)：氣缸蓋和曲軸的疲勞破壞：氣缸蓋

2、和曲軸的疲勞破壞要求掌握的知識點(diǎn)要求掌握的知識點(diǎn)： 疲勞破壞的特征、種類、機(jī)理疲勞破壞的特征、種類、機(jī)理 零件材料的疲勞強(qiáng)度影響因素零件材料的疲勞強(qiáng)度影響因素 氣缸蓋和曲軸的疲勞破壞氣缸蓋和曲軸的疲勞破壞斷裂后的主軸承蓋斷裂后的主軸承蓋 活塞損壞活塞損壞 本章重難點(diǎn)本章重難點(diǎn)第一節(jié)第一節(jié) 疲勞破壞疲勞破壞定義定義: :零件材料長時(shí)間零件材料長時(shí)間在在交變載荷交變載荷作用下產(chǎn)生作用下產(chǎn)生裂紋和斷裂的現(xiàn)象裂紋和斷裂的現(xiàn)象. .疲勞破壞疲勞破壞1 1突發(fā)性：突發(fā)性：斷裂前無明顯的塑變；斷裂前無明顯的塑變；2 2疲勞斷裂前零件一般經(jīng)疲勞斷裂前零件一般經(jīng)較長時(shí)間較長時(shí)間的使用；的使用；3 3工作應(yīng)力工作

3、應(yīng)力小于小于 b b（甚至小于（甚至小于 s s）；）；4 4零件的零件的幾何特征和表面受力幾何特征和表面受力狀態(tài)影響直接；狀態(tài)影響直接；5 5斷口形貌斷口形貌特殊：特殊：分三個(gè)區(qū)（各對應(yīng)一個(gè)過程）。分三個(gè)區(qū)（各對應(yīng)一個(gè)過程）。疲勞斷裂的特點(diǎn)疲勞斷裂的特點(diǎn)交變應(yīng)力的反復(fù)作用交變應(yīng)力的反復(fù)作用產(chǎn)生微觀疲勞裂紋產(chǎn)生微觀疲勞裂紋裂紋擴(kuò)展（時(shí)而擴(kuò)展，時(shí)而停止）裂紋擴(kuò)展（時(shí)而擴(kuò)展，時(shí)而停止）承載面承載面積減少積減少最后斷裂。最后斷裂。疲勞原理疲勞原理（1 1）高周疲勞：）高周疲勞：低應(yīng)力、高壽命低應(yīng)力、高壽命。應(yīng)力較低，小于。應(yīng)力較低，小于 s，應(yīng)力循環(huán)周數(shù)超過，應(yīng)力循環(huán)周數(shù)超過106107。如曲軸、彈

4、簧。如曲軸、彈簧 的斷裂。的斷裂。一、疲勞斷裂的種類一、疲勞斷裂的種類 高應(yīng)力、低壽命高應(yīng)力、低壽命。應(yīng)。應(yīng)力近于或等于屈服極力近于或等于屈服極限，應(yīng)力循環(huán)周數(shù)少限，應(yīng)力循環(huán)周數(shù)少于于104105。例如，。例如，壓力容器、高壓管道壓力容器、高壓管道的裂紋和斷裂。的裂紋和斷裂。（2 2）低周疲勞）低周疲勞 由于零件受熱溫度變化引起熱應(yīng)力的反復(fù)作用由于零件受熱溫度變化引起熱應(yīng)力的反復(fù)作用造成的疲勞破壞。例如，柴油機(jī)造成的疲勞破壞。例如，柴油機(jī)氣缸蓋、氣缸氣缸蓋、氣缸套套受熱面的裂紋。受熱面的裂紋。（3 3）熱疲勞）熱疲勞（4 4）腐蝕疲勞）腐蝕疲勞 零件或材零件或材料在腐蝕性介質(zhì)中受到腐料在腐蝕性

5、介質(zhì)中受到腐蝕，并在交變載荷作用下蝕，并在交變載荷作用下產(chǎn)生的疲勞破壞。產(chǎn)生的疲勞破壞。（5 5）接觸疲勞）接觸疲勞 由于接由于接觸應(yīng)力的反復(fù)作用，導(dǎo)觸應(yīng)力的反復(fù)作用，導(dǎo)致形成金屬剝落，形成致形成金屬剝落，形成麻點(diǎn)。如滾動軸承、齒麻點(diǎn)。如滾動軸承、齒輪等的破壞。輪等的破壞。一、疲勞斷裂的種類一、疲勞斷裂的種類表征零件材料抗疲勞性能的力學(xué)參數(shù)，主要表征零件材料抗疲勞性能的力學(xué)參數(shù)，主要有有: :疲勞極限、超載抗力、疲勞缺口敏感度疲勞極限、超載抗力、疲勞缺口敏感度等。等。1）疲勞極限）疲勞極限當(dāng)應(yīng)力低于某一值時(shí)，循環(huán)無當(dāng)應(yīng)力低于某一值時(shí)，循環(huán)無限次也不會發(fā)生疲勞斷裂，該限次也不會發(fā)生疲勞斷裂，該應(yīng)

6、力稱為材料的應(yīng)力稱為材料的疲勞極限疲勞極限。所以，材料的疲勞極限或稱疲所以，材料的疲勞極限或稱疲勞強(qiáng)度是材料經(jīng)受無限次應(yīng)力勞強(qiáng)度是材料經(jīng)受無限次應(yīng)力循環(huán)的作用而不破壞的最大應(yīng)循環(huán)的作用而不破壞的最大應(yīng)力，用符號力，用符號r r表示表示二、疲勞抗力指標(biāo)二、疲勞抗力指標(biāo)cdecde為過載損害區(qū)，為過載損害區(qū)，cdcd為過載損害界。材為過載損害界。材料的過載損害區(qū)越狹料的過載損害區(qū)越狹窄，或過載持久線窄，或過載持久線eded越陡直，則過載抗力越陡直，則過載抗力越高。由于零件短時(shí)越高。由于零件短時(shí)間過載不可避免，所間過載不可避免，所以零件選材時(shí)宜選用以零件選材時(shí)宜選用過載損害區(qū)狹窄而又過載損害區(qū)狹窄而

7、又較陡直較陡直的材料。的材料。 2 2）過載抗力）過載抗力零件上開有鍵槽、油孔、臺階、螺紋等各種幾何形狀的零件上開有鍵槽、油孔、臺階、螺紋等各種幾何形狀的缺口時(shí)，在使用中就會在缺口的根部產(chǎn)生缺口時(shí)，在使用中就會在缺口的根部產(chǎn)生應(yīng)力集中應(yīng)力集中，使，使材料的疲勞強(qiáng)度降低。采用材料的疲勞強(qiáng)度降低。采用缺口敏感度缺口敏感度來表示疲勞強(qiáng)度來表示疲勞強(qiáng)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。鑄鐵鑄鐵對缺口極不敏感，對缺口極不敏感，q0.1q0.1。一般。一般結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)鋼對對缺口較為敏感缺口較為敏感,q,q0.550.550.

8、800.803 3）疲勞缺口敏感度）疲勞缺口敏感度 疲勞源疲勞源 裂紋擴(kuò)展區(qū)裂紋擴(kuò)展區(qū)：呈：呈光滑狀光滑狀或貝紋狀或貝紋狀，貝紋從，貝紋從疲勞疲勞源源開始后向四周開始后向四周擴(kuò)展擴(kuò)展并并與裂紋方向垂直與裂紋方向垂直。 最后斷裂區(qū)最后斷裂區(qū): :斷口晶粒斷口晶粒較較粗大粗大 三、疲勞斷裂斷口特征三、疲勞斷裂斷口特征四、疲勞斷裂的過程四、疲勞斷裂的過程疲勞斷裂的過程包含三個(gè)過程：疲勞斷裂的過程包含三個(gè)過程：（1）疲勞裂紋的形成）疲勞裂紋的形成（2）裂紋的擴(kuò)展）裂紋的擴(kuò)展（3）斷裂。）斷裂。 疲勞裂紋的裂紋源位于疲勞裂紋的裂紋源位于零件表面應(yīng)力最大零件表面應(yīng)力最大處處，即有，即有應(yīng)力集中應(yīng)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內(nèi)部，即內(nèi)部有嚴(yán)重的料內(nèi)部，即內(nèi)部有嚴(yán)重的冶金缺陷冶金缺陷或或組織缺組織缺陷陷處。處。 零件表面上的零件表面上的裂紋源裂紋源多是由于零件表多是由于零件表面上有油孔、過渡圓角臺階、粗大的刀痕等面上有油孔、過渡圓角臺階、粗大的刀痕等應(yīng)力集中的缺口應(yīng)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較內(nèi)部晶粒容易發(fā)生粒較內(nèi)部晶粒容易發(fā)生滑移滑移和容易受到腐蝕。和容易受到腐蝕。1 1、疲勞裂紋的形成、疲勞裂紋的形成 (a) 在晶界附近起源在晶界附近起源 (b) 在滑移帶的缺口處起源在滑移帶的缺口處起源滑移帶中的擠出、擠入現(xiàn)象滑移帶中的擠出、擠入現(xiàn)象

10、2 2、疲勞裂紋的擴(kuò)展：、疲勞裂紋的擴(kuò)展：第二階段：第二階段：貝紋狀斷面貝紋狀斷面3 3、斷裂、斷裂(1)(1)疲勞源疲勞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個(gè)。個(gè)。(2)(2)疲勞裂紋疲勞裂紋擴(kuò)展呈擴(kuò)展呈貝紋狀貝紋狀時(shí)，時(shí)，貝紋細(xì)密貝紋細(xì)密、間距、間距小，表示材料小，表示材料抗抗疲勞性能好疲勞性能好，疲疲勞強(qiáng)度高勞強(qiáng)度高。貝紋貝紋稀疏稀疏、間距大。、間距大。表示材料表示材料疲勞強(qiáng)疲勞強(qiáng)度低度低。( (3)3)最后最后斷裂區(qū)斷裂區(qū)所占所占面積很大面積很大，甚至超過斷面的甚至超過斷面的一半以上，說明一半以上，說明零件零件嚴(yán)重過載嚴(yán)重過載: :若所占若所占面積較小面積

11、較小或小于斷面一半或小于斷面一半時(shí)，說明零件時(shí)，說明零件無無過載或過載很小過載或過載很小（4 4）在相同條）在相同條件下，件下，高應(yīng)力高應(yīng)力狀狀態(tài)零件的最后斷態(tài)零件的最后斷裂區(qū)的面積裂區(qū)的面積大于大于低應(yīng)力低應(yīng)力狀態(tài)零件狀態(tài)零件的最后斷裂區(qū)的的最后斷裂區(qū)的面積；承受單向面積；承受單向彎曲的零件僅有彎曲的零件僅有l(wèi) l個(gè)疲勞源，承受個(gè)疲勞源，承受雙向彎曲的零件雙向彎曲的零件有有2 2個(gè)疲勞源。個(gè)疲勞源。1)1)應(yīng)力集中應(yīng)力集中( (臺階、鍵槽、油孔或螺紋等截面臺階、鍵槽、油孔或螺紋等截面變化處變化處, ,零件內(nèi)部缺陷零件內(nèi)部缺陷) ) 這些部位均會引起這些部位均會引起應(yīng)力集中應(yīng)力集中。當(dāng)應(yīng)力。當(dāng)

12、應(yīng)力最大值最大值超過材料的超過材料的許用應(yīng)許用應(yīng)力力時(shí)就會形成疲勞破壞的發(fā)源地，導(dǎo)致疲勞破壞。應(yīng)力集中引時(shí)就會形成疲勞破壞的發(fā)源地，導(dǎo)致疲勞破壞。應(yīng)力集中引起的疲勞破壞居所有導(dǎo)致疲勞失效因素中的起的疲勞破壞居所有導(dǎo)致疲勞失效因素中的首位首位。試驗(yàn)表明，。試驗(yàn)表明，零件上零件上缺口引起應(yīng)力集中缺口引起應(yīng)力集中使疲勞極限降低，缺口越尖銳，降低使疲勞極限降低，缺口越尖銳，降低越厲害。越厲害。五五. .影響零件疲勞強(qiáng)度的因素影響零件疲勞強(qiáng)度的因素( (粗糙度、應(yīng)力狀態(tài)、成分和性能的變化等粗糙度、應(yīng)力狀態(tài)、成分和性能的變化等) )表面表面粗糙度越低粗糙度越低，表面越粗糙，表面越粗糙，疲勞極限越低疲勞極限

13、越低。表面變形強(qiáng)化處理使表面塑性變形抗力增加，在表面層內(nèi)形表面變形強(qiáng)化處理使表面塑性變形抗力增加，在表面層內(nèi)形成成殘余壓應(yīng)力殘余壓應(yīng)力，有效的，有效的提高提高疲勞極限。疲勞極限。 材料的材料的疲勞極限隨試樣尺寸增大而降低疲勞極限隨試樣尺寸增大而降低, , 這種現(xiàn)象稱為疲這種現(xiàn)象稱為疲勞強(qiáng)度的勞強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)尺寸效應(yīng)。噴噴丸丸處處理理滲滲氮氮處處理理2)2)表面狀態(tài)和尺寸因素表面狀態(tài)和尺寸因素 1) 1)過載和載荷交變頻率過載和載荷交變頻率 過載過載將造成過載損傷，將造成過載損傷，降低材料的疲勞極限降低材料的疲勞極限。外加載荷交變。外加載荷交變頻率對疲勞極限的影響，一般在交變頻率超過頻率對疲勞極

14、限的影響，一般在交變頻率超過10104 4次次/min/min（約（約170170次次/s/s）時(shí)，）時(shí)，頻率增加，疲勞極限增加頻率增加，疲勞極限增加。 2 2）使用溫度）使用溫度 使用使用溫度升高溫度升高，材料的，材料的疲勞極限降低疲勞極限降低，溫度降低則使疲勞極，溫度降低則使疲勞極限增加。限增加。 3) 3) 環(huán)境介質(zhì)環(huán)境介質(zhì) 零件在零件在腐蝕介質(zhì)腐蝕介質(zhì)中工作時(shí)的零件表面被腐蝕形成缺口，產(chǎn)生中工作時(shí)的零件表面被腐蝕形成缺口，產(chǎn)生應(yīng)力集中而使零件材料的應(yīng)力集中而使零件材料的疲勞極限下降疲勞極限下降。 3. 3.使用條件使用條件一定條件下凡使材料的一定條件下凡使材料的強(qiáng)度提高強(qiáng)度提高的因素，

15、一般來說也可使的因素，一般來說也可使其其疲勞強(qiáng)度提高疲勞強(qiáng)度提高。鋼中的碳和合金元素均可使其強(qiáng)度、疲。鋼中的碳和合金元素均可使其強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度提高。鋼中含碳量增加，疲勞強(qiáng)度隨之增加。勞強(qiáng)度提高。鋼中含碳量增加，疲勞強(qiáng)度隨之增加。同一成分的材料，熱處理工藝不同，其所獲的金相同一成分的材料，熱處理工藝不同，其所獲的金相組織不組織不同，疲勞強(qiáng)度則有很大的不同同，疲勞強(qiáng)度則有很大的不同。例如片狀珠光體共析鋼與。例如片狀珠光體共析鋼與粒狀珠光體共析鋼的疲勞強(qiáng)度分別粒狀珠光體共析鋼的疲勞強(qiáng)度分別239MPa239MPa和和292MPa292MPa。鋼中的鋼中的夾雜物越少其疲勞強(qiáng)度越高夾雜物越少其疲勞強(qiáng)度越

16、高。4. 4. 材料的成分、組織和夾雜物材料的成分、組織和夾雜物六、高溫疲勞和熱疲勞六、高溫疲勞和熱疲勞1) 1) 高溫下材料的疲勞高溫下材料的疲勞極限用規(guī)定循環(huán)周次下的疲勞極限表示，取極限用規(guī)定循環(huán)周次下的疲勞極限表示，取5 5 10107 7或或10108 8次。次。 2)2)高溫疲勞總高溫疲勞總伴隨發(fā)生蠕變伴隨發(fā)生蠕變 一般當(dāng)材料一般當(dāng)材料溫度高于溫度高于0.3T0.3Tm m 時(shí)時(shí)蠕變顯著發(fā)生蠕變顯著發(fā)生，引起材，引起材料的料的疲勞極限急劇降低疲勞極限急劇降低。當(dāng)疲勞曲線沒有明顯的當(dāng)疲勞曲線沒有明顯的水平部分時(shí)，一般規(guī)定水平部分時(shí)，一般規(guī)定疲勞壽命疲勞壽命N N0 05 510107

17、710108 8 時(shí)的最大應(yīng)力值為時(shí)的最大應(yīng)力值為條件疲勞極限。條件疲勞極限。高溫疲勞具有以下特點(diǎn)高溫疲勞具有以下特點(diǎn): :材料的蠕變極限隨溫度材料的蠕變極限隨溫度變化曲線變化曲線1 1與疲勞極限隨與疲勞極限隨溫度變化曲線溫度變化曲線2 2相交于一相交于一點(diǎn)。當(dāng)點(diǎn)。當(dāng)溫度低于此點(diǎn)溫度低于此點(diǎn)對對應(yīng)溫度時(shí)，材料應(yīng)溫度時(shí)，材料以疲勞以疲勞破壞為主，高于破壞為主，高于此溫時(shí)此溫時(shí)以蠕變破壞為主。以蠕變破壞為主。圖4-15 含碳量為0.15%鋼的蠕變極限1和疲勞極限23)3)高溫下疲勞極限與高溫強(qiáng)度高溫下疲勞極限與高溫強(qiáng)度 2 2、熱疲勞熱疲勞熱應(yīng)力熱應(yīng)力 熱疲勞熱疲勞是零件在循環(huán)熱應(yīng)力反復(fù)作用下產(chǎn)生

18、是零件在循環(huán)熱應(yīng)力反復(fù)作用下產(chǎn)生的疲勞破壞。產(chǎn)生熱疲勞必滿足的疲勞破壞。產(chǎn)生熱疲勞必滿足兩個(gè)條件兩個(gè)條件: :一是一是溫度循環(huán)變化，二是零件熱變形受到約束。溫度循環(huán)變化，二是零件熱變形受到約束。 熱疲勞破壞實(shí)際上是由塑性應(yīng)變引起的，并熱疲勞破壞實(shí)際上是由塑性應(yīng)變引起的，并且是塑性應(yīng)變損傷累積的結(jié)果，是一種高溫高應(yīng)且是塑性應(yīng)變損傷累積的結(jié)果，是一種高溫高應(yīng)變疲勞。變疲勞。 在熱疲勞過程中由于高溫引起材料內(nèi)部組織在熱疲勞過程中由于高溫引起材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)變化，零件截面上存在溫度梯度，在溫度梯結(jié)構(gòu)變化，零件截面上存在溫度梯度，在溫度梯度最大處造成塑性應(yīng)變集中，促進(jìn)熱疲勞破壞的度最大處造成塑性應(yīng)變集中，促進(jìn)熱疲勞破壞的發(fā)生。發(fā)生。 2 2）熱疲勞）熱疲勞 零件熱疲勞破壞是以受熱表面上產(chǎn)生特有的零件熱疲勞破壞是以受熱表面上產(chǎn)生特有的龜裂裂龜裂裂紋紋為特征。熱疲勞裂紋與循環(huán)溫差、零件表面缺口為特征。熱疲勞裂紋與循環(huán)溫差、零件表面缺口狀態(tài)和材料有關(guān)。循環(huán)溫差越大、表面缺口越尖銳，狀態(tài)和材料有關(guān)。循環(huán)溫差越大、表面缺口越尖銳，就越容易發(fā)生熱疲勞。就越容易發(fā)生熱疲勞。 金屬材料對金屬材料對熱疲勞的抗力熱疲勞的抗力不但不但 與材料的導(dǎo)熱性、比熱等熱與材料