轮机维护及修理 第四章(培训教材).ppt

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80～90％。 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 §4-1 金属疲劳破坏 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：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。 1.1 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。 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。 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 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。 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。 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，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。 2 疲劳断裂的机理 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