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第4章：船机零件的疲劳破坏Chapter4 船机零件的疲劳破坏（Fatigue Fracture）很多柴油机零件（如曲轴、活塞、缸盖、齿轮、连杆螺栓等）承受交变载荷的作用，经过长时间运行后会发生断裂，在这些断裂中，疲劳断裂占8090。4-1 金属疲劳的概念1 疲劳断裂的概述1.1 定义 零件或材料在交变载荷的长时间作用下，会在应力小于sb（甚至小于ss）的情况下产生裂纹或突然断裂，这种现象称为疲劳断裂。说明：（1）应力：机械应力和热应力（交变）。交变应力：平均应力：应力幅值：应力循环特征：；当时，为对称循环。（2）破坏：裂纹和断裂。（3）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）断裂应力小于材料的抗拉强度b，甚至小于屈服强度s；（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 种类1）根据应力大小和循环次数分： 高周疲劳破坏 特点：s小，应力循环次数大（105）,最常见（曲轴、弹簧等的断裂）。低周疲劳破坏 特点：应力大（ss）,低频加载，应力循环次数1041052）根据工作环境等分类： 热疲劳：由于零件受温度的变化引起热应力的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：疲劳极限、超载抗力、疲劳缺口敏感度等。1）疲劳极限（MPa）：在交变载荷作用下材料承受的最大交变应力与断裂前循环周数之间的关系如图4-1所示。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。材料的疲劳极限是由试验测定。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N107时不断的最大应力作为疲劳极限。2）过载抗力：是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。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，降低材料的疲劳极限，导致零件的疲劳破坏。这是由于过载引发了材料内部的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。过载抗力一般是用通过试验建立的过载损害区和损害界来表示，如图4-2。由图可以看出，材料的过载损害区越狭窄，或过载持久线ed越陡直，则过载抗力越高。过载持久值ed表示在超过疲劳极限的应力下直到断裂所能经受的最大应力循环周数。由于零件短时间过载不可避免，所以零件选材时宜选用过载损害区狭窄而又较陡直的材料。3）疲劳缺口敏感度：零件表面开有键槽、油孔、螺纹等各种缺口时，就会在缺口的根部产生应力集中，使材料的疲劳强度降低。q（Kf1）（Kt1）式中：Kt静力理论应力集中系数，Ktmax； Kf疲劳应力集中系数，Kf11H Kt 是试件缺口根部处的最大应力max与光滑试件横截面上 均匀应力之比，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是光滑试件的疲劳极限1与缺口疲劳极限1H之比，其与缺口的形状、尺寸和材料性能有关。在中等强度范围内，材料强度越高，Kf值越大。一般KfKt。当KfKt时，q1，表示此时疲劳应力集中最严重，缺口最敏感；当Kf1时，11H，则q=0，表明零件虽有缺口但不影响材料的疲劳极限-1，缺口最不敏感。材料的缺口敏感度q在01之间。q值越小，缺口越不敏感。铸铁对缺口极不敏感，q0.1；一般结构钢对缺口较为敏感，q0.550.80。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，其断口形貌呈现了从裂纹产生到裂纹扩展，直至断裂的全过程。可以根据断口形貌特征来分析零件的断裂原因。图43a）、b）分别示出弯曲疲劳断裂和扭转疲劳断裂的宏观形貌，分为三个区域：（1）疲劳源 用肉眼或低倍放大镜在断口上可以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，一般占有较大面积。光滑状是两个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。交变应力的反复作用产生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。因此，疲劳断裂的过程包含三个过程：疲劳裂纹的形成、裂纹的扩展和断裂。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45o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。3 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12个。（2）裂纹扩展区：呈贝纹状，是裂纹扩展留下的痕迹。以上两部分由于受长时间的研磨，呈磨光状态。若疲劳源区与裂纹扩展区断面粗糙、疲劳源数较多和贝纹线间距较大时，可能是应力集中较严重和有较大的过载作用。（3）最后断裂区：晶粒粗大。最后断裂区所占面积越大，甚至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，高应力状态零件的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，而双向弯曲有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。4 影响疲劳强度的因素零件材料疲劳强度的大小受诸多因素的影响，外部因素主要是零件的形状、尺寸、表面粗糙度和使用条件等；内部因素主要是材料的成分、组织、夹杂物和表面应力状态等。而疲劳强度是零件设计、选材和制订加工工艺时的重要参数，直接关系到零件的使用寿命。4.1 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，降低越厉害。4.2 表面状态和尺寸因素零件加工表面状态主要是指表面粗糙度、表面成分和性能的变化、表面残余应力等。表面粗糙度越低，表面越粗糙，疲劳极限越低。例如，钢、铝合金粗车后的疲劳极限比抛光低1020。表面强化处理使零件表面化学成分和组织发生变化，从而使表面的机械性能变化。例如，经渗碳或氮化处理的光滑钢试样的弯曲、扭转疲劳极限提高15100；缺口试样经渗碳或氮化处理后疲劳极限提高更大，甚至达230300，柴油机曲轴常采用此种强化工艺。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，有效地提高疲劳极限。滚压、喷丸等工艺广泛用来提高零件的疲劳极限。试验表明，材料的疲劳极限随试样尺寸增大而降低，材料强度越高疲劳极限下降越快。这种现象称为疲劳强度的尺寸效应。尺寸效应是由于：疲劳破坏源于零件表面，零件尺寸增加，表面积增加，相应增大表面疲劳破坏的概率；试验时，在试样表面拉应力相等情况下，尺寸大的试样，自表层至中心的应力梯度小，处于高应力区的表层体积大及相应的内部缺陷多，也增加了疲劳破坏的概率。4.3 使用条件：过载情况（过载将造成过载损伤，降低材料的疲劳极限。）、使用温度（使用温度升高，材料的疲劳极限降低，温度降低则使疲劳极限增加。）、环境介质等（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。）。4.4 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。热处理对材料疲劳强度的影响较材料成分对疲劳强度的影响大得多。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。4-2 柴油机气缸盖的疲劳破坏1 高温疲劳和热疲劳1.1 高温疲劳零件在高于材料的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。汽轮机和燃气轮机的叶轮和叶片、柴油机的排气阀等处于这种工作状态。在高温下，材料的持久强度、蠕变极限、疲劳极限均下降。高于常温，低于0.5 Tm的疲劳称为中温疲劳，高温疲劳具有以下特点：1）高温疲劳的疲劳曲线中不出现水平部分，疲劳极限随着交变应力作用的循环周次增加不断降低。因此，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，一般取5107或108次。2）高温疲劳总伴随发生蠕变，并且温度越高蠕变所占比例越大，疲劳和蠕变交互作用也越强烈。不同材料显著发生蠕变的温度不同，一般当材料温度高于0.3 Tm（用绝对温度表示的熔点）时蠕变显著发生。例如碳钢温度超过300350，合金钢温度超过350400时发生蠕变，引起材料的疲劳极限急剧降低。表4-1示出几种材料的各种温度下的疲劳极限。碳钢、合金钢在温度超过400后高温疲劳极限急剧降低。3）高温下疲劳极限与蠕变极限、持久极限的关系对高温工作的零件具有重要的意义。实验表明，在较低温度时材料的蠕变极限、持久强度比疲劳极限高。而在高温时材料的蠕变极限、持久强度和疲劳极限均下降。但前两者的下降速度远高于后者，如图47所示。材料的蠕变极限随温度变化曲线1与疲劳极限随温度变化曲线2相交于一点。当温度低于此点对应温度时，材料以疲劳破坏为主，高于此温度时以蠕变破坏为主。1.2 热疲劳1）热应力柴油机工作时，缸盖外表或冷面温度：6080，而触火面的高温区的温度为400480。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，触火面产生了拉应力。缸盖在“加热冷却”的多次循环后，交变的热应力就会导致疲劳裂纹的产生。因此，缸盖疲劳裂纹产生的主要原因是热负荷过高。根据热应力与时间的关系分为定常热应力和不定常热应力。定常热应力是指不随时间变化的热应力。柴油机处于稳定运转时，燃烧室组成零件上的温度可视为不变，处于热稳定状态。柴油机由冷态变为热稳定状态后在燃烧室零件上产生的热应力为定常热应力、不定常热应力是指随时间变化的热应力。根据热应力变化的频率分为高频热应力与低频热应力。柴油机运转时，燃烧室组成零件的触火壁面温度实际上是周期变化的，变化周期与柴油机工作循环的变化周期相同，频率高且壁面受热深度浅。所以，在壁面受热不深的情况下，周期变化的燃气高温作用引起的热应力是高频热应力。零件触火壁面的高频热应力最大，随着深度而减小。柴油机在起动、停车或变工况运行时，燃烧室组成零件的温度也随时间发生动态变化产生不定常热应力。此种不定常热应力变化周期与柴油机运转中起动、停车或工况变化的周期相同，频率较低，属于低频热应力。低频热应力的大小与负荷变化的速度有关。负荷突变将会引起过大的低频热应力，导致零件热疲劳破坏。2）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。循环热应力是零件受到循环变化的温度作用引起的。因此，产生热疲劳必满足两个条件：温度循环变化；零件热变形受到约束。热疲劳是由于热循环温差T引起。零件材料膨胀变形T（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-ET。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。所以，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。在热疲劳过程中由于高温引起材料内部组织结构变化，降低了材料的热疲劳抗力；高温促使表面和裂纹尖端氧化，甚至局部熔化，加速热疲劳破坏；零件截面上存在温度梯度，特别是厚壁零件温度梯度更大，在温度梯度最大处造成塑性应变集中，促进热疲劳破坏的发生。热疲劳裂纹是在受热表面热应变最大区域形成，一般有几个疲劳裂纹源，裂纹沿垂直受热表面方向扩展，并向表面内纵深方向发展。所以，零件热疲劳破坏是以受热表面上产生特有的龟裂裂纹为特征。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，就越容易发生热疲劳。金属材料对热疲劳的抗力不但与材料的导热性、比热等热力学性质有关，而且与弹性模量E、屈服极限等力学性能有关。所以导热性差的脆性材料，如灰口铸铁容易发生热疲劳破坏，提高材料热疲劳的途径主要有：1）尽可能地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。2 气缸盖的疲劳破坏2.1 底面（触火面）裂纹：主要是热负荷过高引起，安装（紧固过度、用力不均等）或使用（冷却水中断、暖机不够、水温过低）不正确。气缸盖底面即触火面承受着高温高压燃气的周期重复作用。高温下高压燃气作用使底面发生弯曲变形产生机械压应力，并随柴油机工作循环周期重复变化。一般情况下，气缸盖底面温度达400500，有时可能超过0.5Tm（灰铸铁的熔点）。当气缸盖冷却不良时就会超过0.5Tm，从而引起高温疲劳破坏。当底面温度超过0.3Tm时，底面产生显著蠕变，从而使底面压应力大大降低。气缸盖底面和冷却面的温差可达300400，在底面和冷却面分别产生压、拉热应力，在柴油机停车或负荷突降时会使气缸盖底面压应力进一步降低、消失，甚至产生残余拉应力。另外，柴油机运转过程中零件长期受到高温作用，使材料的疲劳极限下降，所以低频热应力超过时就会在气缸盖底面产生疲劳裂纹。因此，当气缸盖底面产生裂纹时不能简单地视为热疲劳裂纹，因为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。但是当发现龟裂裂纹时，则可断定为热疲劳裂纹。2.2 冷面（冷却水侧）裂纹气缸盖冷却侧分布着环形或其它形状的冷却水通道，在通道筋的根部产生机械疲劳裂纹，并向触火面扩展。裂纹是气缸内最大爆发压力引起的周期性脉动应力作用的结果。气缸内最大爆发压力作用在缸盖底面上使其发生弯曲变形，在冷却面上产生最大拉应力。当冷却水通道筋的根部过渡圆角过小或者存在铸造缺陷时，在这些应力集中的部位就会产生裂纹或使铸造缺陷裂纹扩展，以致在周期脉动应力作用下裂纹自冷却面向触火面逐渐扩展。最终使缸盖裂穿。运行时，底面受压，而冷面受拉，缸盖底面薄，在爆压的周期性脉动作用下，冷面疲劳。冷却水道的环形筋根部产生机械疲劳裂纹，并向触火面扩展。零件在腐蚀介质和交变载荷共同作用下产生腐蚀疲劳破坏。由于腐蚀与疲劳加速零件上的裂纹形成与扩展，所以是更严重的破坏。气缸盖冷却面在冷却水中不可避免地产生微观电化学腐蚀；冷却面局部区域的冷却水还可能处于沸腾状态，使冷却水中可溶性盐类的酸根离子Cl、SO4等与冷却面金属发生电化学腐蚀；当冷却水中溶解一定量氧时，冷却面金属被氧化，水温越高氧化腐蚀越严重。在以上腐蚀条件下零件材料的疲劳强度显著下降，在气缸中燃气的循环交变应力作用下产生腐蚀疲劳破坏。2.3 外表面裂纹在四冲程柴油机中常见。气缸盖乃至燃烧室其它组成零件能否产生疲劳裂纹均与轮机员的管理工作密切相关。为了避免产生热疲劳裂纹就不能产生过大的热应力，也就要求气缸盖等零件不能热态时急冷和冷态下急剧加热或使其过热。例如，柴油机起动前不暖机或暖机不充分，起动后又立即增速增负荷；停车时过早中断冷却水循环，使机件散热不良或局部过热；长期超负荷；气缸盖冷却水腔结垢严重等。4-3 曲轴（Crankshaft）的疲劳破坏曲轴在回转中受到各缸交变的气体力、往复惯性力和离心力以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。属于高周低应力疲劳破坏。1 曲轴疲劳裂纹的种类1.1 弯曲疲劳裂纹（Bending Fatigue Crack）一般发生在曲轴长期运转后，由于主轴承（main bearings）的不均匀磨损，造成曲轴轴线不正。使附加弯曲应力加大。断裂部位一般为：曲柄销（Crankpin）或主轴颈（Crankshaft journal）与曲柄臂连接的过渡圆角处，沿曲柄臂断裂。结论：必须控制主轴承的不均匀磨损，确保轴线的平直。1.2 扭转疲劳裂纹（Torsion Fatigue Crack）曲轴在扭矩作用下产生交变的扭转应力，存在扭转振动时还会产生附加交变扭转应力。一般发