4-1第一節(jié)疲勞破壞

第四章船機零件的疲勞破壞船上常常發(fā)生船機零件裂紋和斷裂的事故。 例如主、副柴油機的氣缸蓋、氣缸套和活塞組件的裂紋，曲軸、中間軸或尾軸的裂紋和折斷等。船機零件，尤其是主柴油機和軸系零件的裂紋和斷裂影響極大，不僅直接危及船舶安全航行，甚至會立即釀成嚴重事故，造成生命、財產(chǎn)的重大損失。船機零件的裂紋和斷裂是由于零件長時間在交變載荷作用下產(chǎn)生的破壞，稱為疲勞破壞。疲勞破壞是一種普遍而又嚴重的失效形式，是船機零件故障模式之一。據(jù)統(tǒng)計，生產(chǎn)屮因疲勞斷裂的零件占斷裂零件總數(shù)的80%以上。輪機員對這種損壞形式不僅應該重視，而且還應具有分析零件產(chǎn)生疲勞破壞的原因和防止或減少此種破壞措施的知識。第一節(jié)疲勞破壞零件材料長時間在交變載荷作用下產(chǎn)生裂紋和斷裂的現(xiàn)象稱為疲勞破壞。 大小和方向隨時間發(fā)生周期性變化的載荷稱為交變載荷，所引起的應力稱為交變應力。機零件長期在交變的械應力或熱應力下工作，即使最大工作應力小于靜載荷下的屈服極限 0,但在長期工作S后也會產(chǎn)生裂紋或斷裂，即產(chǎn)生疲勞破壞。零件發(fā)生疲勞斷裂時具有以下特征：(1)零件是在交變載荷作用下經(jīng)過較長時間的使用；⑵斷裂應力小干材料的抗拉強度 Ob,甚至小于屈服強度5；(3)斷裂是突然的，無任何先兆；⑷斷口形貌特殊，斷口上有明顯不同的區(qū)域；⑸零件的幾何形狀、尺寸、表面質量和表面受力狀態(tài)等均直接影響零件的疲勞斷裂。一、 疲勞破壞的種類(1)按零件所受應力大小和循環(huán)周數(shù)分類：高周疲勞為低應力、高壽命的疲勞破壞。應力較低，小于屈服極限，應力循環(huán)周數(shù)較高，一般超過106?為最常見的一種疲勞破壞，如曲軸、彈簧等零件的斷裂。低周疲勞為高應力、低壽命的疲勞破壞。應力近于或等于屈服極限，應力循環(huán)周數(shù)少于1()4?IO.例如，壓力容器、高壓管道、飛機起落架、核反應堆外殼等的裂紋和斷裂。使用中應力很高，甚至超過材料的 5但循環(huán)周數(shù)很少時就發(fā)生疲勞破壞。⑵按零件工作環(huán)境和接觸情況分類：分為大氣疲勞、腐蝕疲勞、熱疲勞、接觸疲勞、微動磨損疲勞和激冷疲勞等。熱疲勞由于零件受熱溫度變化引起熱應力的反復作用造成的疲勞破壞。例如，柴油機氣缸套、氣缸蓋受熱面的裂紋。腐蝕疲勞 零件在腐蝕性介質屮受到腐蝕，并在交變載荷作用下產(chǎn)生的疲勞破壞。(3)按應力狀態(tài)分類：有彎曲疲勞、扭轉疲勞、軸向拉壓疲勞和復合疲勞等。二、 疲勞破壞的機理疲勞斷裂的斷口特征零件或構件疲勞斷裂后，其斷口形貌呈現(xiàn)了從裂紋產(chǎn)生到裂紋擴展， 直至斷裂的全過程。可以根據(jù)斷口形貌特征來分析零件的斷裂原因。圖4-16)、6)分別示出彎曲疲勞斷裂和扭轉疲勞斷裂的宏觀形貌，分為三個區(qū)域：S4-3 的新口舷越純G彎曲疲勞翫口“｝祖轉疲勞斷口I-飯勞源潔-裂疑擴?BL?3-堆君斷裂區(qū)（1）疲勞源用肉眼或低倍放大鏡在斷口上可以找到一個或多個疲勞裂紋的開始點， 稱為疲勞源。疲勞源一般出現(xiàn)在零件表面或近表面處。儀）裂紋擴展區(qū)呈光滑狀或貝紋狀，一般占有較大面積。光滑狀是兩個斷裂表面長時間互相研磨所致；貝紋是負荷變化時裂紋前沿線擴展遺留下的痕跡。 貝紋從疲勞源開始后向四周擴展并與裂紋擴展方向垂直。（3）最后斷裂區(qū)域或稱脆斷區(qū)，零件瞬間突然斷裂，斷口晶粒較粗大，與發(fā)喑的裂紋擴展區(qū)明顯不同。脆性材料呈結晶狀，塑性材料呈纖維狀。疲勞斷裂的過程零件的疲勞斷裂是在較長時間內(nèi)逐漸形成的破壞。 零件在交變載荷作用下首先在表面缺陷處產(chǎn)生微裂紋，隨后裂紋時而擴展，時而停滯，以致最終斷裂。這一斷裂過程從疲勞斷裂的斷口特征的三個區(qū)域得到證實。1） 疲勞裂紋的形成疲勞裂紋的裂紋源位于零件表面應力最大處，即有應力集中的部位或零件近表面的材料內(nèi)部，即材料內(nèi)部有嚴重的冶金缺陷或組織缺陷處。零件表面的裂紋源多是表面上有油孔、過渡圓角、臺階、粗大刀痕等應力集中處在交變應力作用下形成的微裂紋；零件近表面材料內(nèi)部由于冶煉和冷、熱加工的缺陷、晶體滑移和晶界缺陷等在交變應力作用下產(chǎn)生的微型紋。2） 疲勞裂紋的擴展零件表面或近表面處一旦出現(xiàn)疲勞微裂紋就會在交變應力作用下擴展。 疲勞裂紋擴展分為兩個階段，如圖4吃所示。首先在已形成的微裂紋處，即疲勞源處裂紋沿最大切應力方向 （和正應力方內(nèi)近似成45°角）向零件內(nèi)部擴展。擴展的深度較淺，擴展的速度也很小。這是裂紋擴展的第一階段。隨后裂紋擴展的方向改變，裂紋沿著與正應力垂直方向擴展，即裂紋擴展的第二階段。此時正應力對裂紋的擴展有著重要作用，使裂紋向零件內(nèi)部擴展的深度和速度遠遠超過第一階段。在交變的正應力作用下，裂紋時而擴展，時而停滯。零件裂開處的兩個面時而閉合，時而分開，以致在兩個斷面上形成“貝紋狀” o裂紋源附近裂紋擴展較慢，兩個斷裂面長時間相互摩擦與研磨，使斷面光滑并有稀疏的貝紋； 較遠處的裂紋擴展較快，兩個斷裂面相互研磨時間短，使斷裂面粗糙，貝紋細密。3） 疲勞斷裂疲勞裂紋擴展到一定深度后，零件實際承載面積減小，當剩余面積承受不了載荷作用時發(fā)生突然斷裂，斷面上出現(xiàn)最后斷裂區(qū)。

疲勞斷口上的三個區(qū)域的狀況與零件工作時的載荷、 應力狀態(tài)、零件材料性能及加工情況等有關。圖4-3為各種交變載荷作用下軸類零件疲勞斷裂的斷口形貌示意圖。 根據(jù)斷口形貌可以定性分析零件所受載荷、材料性能和壽命等，有助于分析零件疲勞斷裂產(chǎn)生的原因。從圖中可見：(1)疲勞源大多分布于零件表面，一般有1?2個。⑵疲勞裂紋擴展呈貝紋狀時，貝紋細密、間距小，表示材料抗疲勞性能好，疲勞強度高。貝紋稀疏、間距大，表示材料疲勞強度低。(3)最后斷裂區(qū)所占面積很大，甚至超過斷面的一半以上，說明零件嚴重過載；若所占面積較小或小于斷面一半時，說明零件無過載或過載很小。在相同條件下，高應力狀態(tài)零件的最后斷裂區(qū)的面積大于低應力狀態(tài)零件的最后斷裂區(qū)的面積；承受單向彎曲的零件僅有1個疲勞源，承受雙向彎曲的零件有2個疲勞源；承受單向彎曲的零件與承受扭轉彎曲的零件的最后斷裂區(qū)的形狀不同，后者的疲勞源與最后斷裂區(qū)的相對位置發(fā)生偏轉，并由于零件上缺口應力集中的影響較大，使最后斷裂面積很小且與零件斷面呈同心狀。影響零件疲勞強度的因素零件材料在交變載荷作用下所能承受的最大交變應力與斷裂前應力循環(huán)周數(shù)之間的關系如圖4~4所示。由6 —JgN坐標申的疲勞曲線可知，材料承受的最大交變應力 6,越max大，循環(huán)周數(shù)max大，循環(huán)周數(shù)N就越少，即壽命越短；反之,循環(huán)無限次零件材料也不會發(fā)生疲勞斷裂。無限次循環(huán)應力的作用而不破壞的最大應力，的1-1,所以對稱循環(huán)應力下的疲勞強度用零件材料的疲勞強度除與材料本身的成分、形狀、尺寸、表面粗糙度和使用條件等有關。maxN越多，壽命越長。當6低于某一值時，max所以，材料的疲勞強度或稱疲勞極限是材料經(jīng)受用符號"表示。注腳t為循環(huán)特征，對稱循環(huán)6-1,表示。組織和表面應力狀態(tài)等有關外， 還與零件的應力集屮由于零件表面上的臺階、鍵槽、油孔或螺紋等截面變化處及零件材料內(nèi)部的缺陷均會引起應力集屮，當應力最大值超過材料的許用應力時就會形成疲勞源，導致疲勞破壞，所以，應力集中是引起疲勞破壞的首要因素。試驗表明，零件表面上缺口引起的應力集中使其疲勞強度降越低，缺口越尖銳，降低得越厲害。表面狀態(tài)和尺寸因素 樣名罠壓力 樣名罠壓力 低名丈圧力 孟阻力■中 小民力魚中 大啟力H申 無總力鼻中 小R力■申 大應力H中表面狀態(tài)是指零件加工表面的粗糙度、 應力狀態(tài)、成分和性能的變化等。表面粗糙度越低、表面越粗糙，疲勞強度越低。相同材料不同加工方法，零件的表面粗糙度不同，其疲勞強度也不一樣。例如，鋼、鋁合金粗車后的疲勞強度較拋光后的低 n%?20%o零件表面層處于殘余壓應力狀態(tài)可有效地提高疲勞強度。 采用滾壓、噴丸等表面變形強化工藝可提高零件的疲勞強度。零件疲勞強度還會隨尺寸增大而降低，因為尺寸增大，零件表面積增大，表面缺陷增多，相應增加疲勞破壞的概率。使用條件機器運轉屮，載荷狀況、工作溫度和環(huán)境介質等均對零件的疲勞強度有很大影響。過載將造成過載損傷使材料的疲勞強度降低。工作溫度升高會使材料的疲勞強度降低，反之會增加。零件在腐蝕性介質屮工作時，零件表面被腐蝕形成缺口，產(chǎn)生應力集中而使材料的疲勞強度降低。疲勞抗力指標表征零件材料抗疲勞性能的力學參數(shù)，主要有：疲勞極限、超載抗力、 疲勞缺口敏感度等。疲勞極限在交變載荷作用下材料承受的最大交變應力與斷裂前周數(shù)Z間的關系如圖 4-1所示。由6max—覽N坐標中的疲勞曲線可知，材料承受的最大交變應力?max越大，循環(huán)的周數(shù)越少，既壽命越短；反之，N越多，壽命越長。當應力低于某一值時，循環(huán)無限次也不會發(fā)生疲勞斷裂，該應力稱為材料的疲勞極限。所以，材料的疲勞極限或稱疲勞強度是材料經(jīng)受無限次應力循環(huán)的作用而不被破壞的最大應力，用符號6r表示。注腳r為循環(huán)特征，對稱循環(huán)的r=-1,故對稱循環(huán)應力下的疲勞極限用 6-1表示。材料的疲勞極限是由試驗測定。例如，常溫下的碳鋼、合金結構和鑄鐵，在 N達到IO?后曲線出現(xiàn)水平階段。所以這類材料是以 N二107時不斷的最大應力作為疲勞極限。過載抗力機器在運轉過程中，常常會出現(xiàn)短時間的過載，相應的零件處于短時間高于其材料的疲勞極限的工作應力狀態(tài)。例如，柴油機緊急剎車、起動或超負荷運轉等。為了保證安全運轉對偶然短時間過載應考慮其對材料的疲勞抗力的影響。q<0.1q<0.1；一?般結構鋼對缺口較為敏感, q二0.55?0?80。?R || 耳F'F11z00%NbIgN圖4吆材料的過載損害區(qū)和損害界一般來說，適當過載對材料的疲勞性能沒有什么影響， 因其未能引發(fā)材料內(nèi)部微裂紋的顯著擴展。而不適當過載（包括過載的大小和過載循環(huán)次數(shù)的多少）將會造成過載損傷，降低材料的疲勞極限，導致零件的疲勞破壞。這是由于過載引發(fā)了材料內(nèi)部的微裂紋擴展達到了一定尺寸，在過載后的正常運轉中不斷擴展導致疲勞斷裂。采用疲勞過載抗力來衡量過載對零件材料疲勞抗力的影響。 過載抗力一般是用通過試驗建立的過載損害區(qū)和損害界來表示，如圖4~2。圖中cde為過載損害區(qū)，cd為過載損害界。當零件在過載負荷6i、循環(huán)周數(shù)Nb工作，即工作點B進入過載損害區(qū)時，過載就會發(fā)生過早的疲勞破壞，縮短零件的疲勞壽命。由圖可以看出，材料的過載損害區(qū)越狹窄，或過載持久線ed越陡直，則過載抗力越高。過載持久值ed表示在超過疲勞極限的應力下直到斷裂所能經(jīng)受的最大應力循環(huán)周數(shù)。由于零件短時間過載不可避免，所以零件選材時宜選用過載損害區(qū)狹窄而又陡直的材料。3）疲勞缺口敏感度零件上開有鍵槽、油孔、臺階、螺紋等各種幾何形狀的缺口時，在使用中就會在缺口的根部產(chǎn)生應力集屮，使材料的疲勞強度降低。采用缺口敏感度來表示疲勞強度降低的程度。缺口敏感度q表達式為：式屮：Kt二靜力理論應力集中系數(shù),Kf二疲勞應力集屮系數(shù),式屮：Kt二靜力理論應力集中系數(shù),Kf二疲勞應力集屮系數(shù),Kt是試件缺口根部處的最大應力 6max與光滑試件橫截面上均勻應力 6之比，與缺口的幾何形狀、尺寸及缺口曲率半徑有關，與材料性能無關。 Kt值可從機械工程手冊中查得。Kf是光滑試件的疲勞極限6_1與缺口疲勞極限6-1H之比，其與缺口的形狀、尺寸和材料性能有關。在中等強度范圍內(nèi)，材料強度越高， Kf值越大，一般KfWKt。當Kf二Kt時，q二1,表示此時疲勞應力集中最嚴重，缺口最敏感；當 Kf二1時，6-1二6-1H,貝ljq二0,表示零件雖有缺口但不影響材料的疲勞極限 6-1，缺口最不敏感。材料的缺口敏感度 q在0和1之間。q值越小，缺口越不敏感。鑄鐵對缺口極不敏感，

三、高溫疲勞和熱疲勞1.高溫疲勞高溫疲勞是指零件在高于材料的0.5Tm（ffl絕對溫度表示的熔點）或高于再結晶溫度時受到交變應力的作用所引起的疲勞破壞。生產(chǎn)中有許多機器零件是在高溫和交變載荷作用下工作。如汽輪機、燃氣輪機的葉輪和葉片，柴油機的排氣閥等，容易產(chǎn)生高溫疲勞破壞。高溫疲勞具有以下特點：（1）高溫疲勞的疲勞曲線無水平部分， 疲勞強度隨循環(huán)周次 N增加不斷降低。因此，高溫下的材料疲勞強度用規(guī)定循環(huán)周次下的疲勞強度表示，一般取 5X107或I%次。0）高溫疲勞總伴隨蠕變發(fā)生，溫度越高蠕變所占比例越大，疲勞和蠕變交互作用也越強烈。不同材料顯著發(fā)生蠕變的溫度不同，一般當材料溫度超過 0.3Tm時蠕變顯著發(fā)生，使材料的疲勞強度急劇降低。例如，碳鋼溫度超過 300?350°C,合金鋼超過350?400°C的發(fā)生顯著蠕變。（3）材料的高溫疲勞強度與高溫強度 歸變極限和持久極限）的關系如圖4-5所示。材料的蠕變極限隨溫度變化曲線 1與疲勞極限隨溫度變化曲線 2相交于一點，說明當材料溫度低于此點對應溫度時，材料以疲勞破壞為主；高于此點對應溫度則以蠕變破壞為主。2.熱疲勞1）熱應力零件各部分受熱不同，溫度不同，產(chǎn)生的變形也不同。同時， 零件材料產(chǎn)生變形的金屬與變形小的金屬或未產(chǎn)生變形的金屬相互約束和牽制而產(chǎn)生由溫差引起的應力，即熱應力。零件內(nèi)外表面溫差、同一截面上屮心與邊緣的溫差均會產(chǎn)生熱府力，高溫面 或處）產(chǎn)生壓應力，低溫或處）產(chǎn)生拉應力。例如，柴油機氣缸蓋底面 觸火面）溫度高達400?500°C,而冷卻面溫度為60?80°C。底面金屬受熱膨脹受冷卻面未變形金屬約束產(chǎn)生壓應力，冷卻面金屬受高溫底面變形金屬的牽制產(chǎn)生拉應力。 底面屮心和邊緣也會由于溫差在屮心處產(chǎn)生壓應力，在邊緣處產(chǎn)生拉應力。溫差越大，熱應力也越大。根據(jù)熱應力與時間的關系分為定常熱應力和不定常熱應力。定常熱應力是指不隨時間變化的熱應力，例如穩(wěn)定運轉的柴油機燃燒室零件的溫度可視為不變化，所產(chǎn)生的熱應力為定常熱應力。不定常熱應力是指隨時間變化的熱應力。根據(jù)熱應力變化的頻率分為高頻熱應力和低頻熱應力。柴油機運轉時，周期變化的高溫燃氣作用引起燃燒室零件觸火面高溫也是周期變化的，頻率高，故產(chǎn)生高頻熱應力。柴油機其變化周期與起動、