Chapter 4船机零件的疲劳破坏

Chapter4船机零件的疲劳破坏 FatigueFracture 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80 90 4 1金属疲劳的概念 4 2柴油机气缸盖 Cylinderhead 的疲劳破坏 4 3曲轴 Crankshaft 的疲劳破坏 第一节疲劳破坏 一 概念 零件材料长时间在交变载荷作用下产生裂纹和断裂的现象称为疲劳破坏 大小和方向随时间发生周期性变化的载荷称为交变载荷 所引起的应力称为交变应力 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 二 疲劳破坏的种类 1 按零件所受应力大小和循环周数分类 高周疲劳 低周疲劳 2 按零件工作环境和接触情况分类 大气疲劳 腐蚀疲劳 热疲劳 接触疲劳 微动磨损疲劳和激冷疲劳等 3 按应力状态分类 有弯曲疲劳 扭转疲劳 轴向拉压疲劳和复合疲劳等 三 疲劳破坏的机理 1 疲劳断裂的断口特征 疲劳源 裂纹扩展区 最后断裂区域 三 疲劳破坏的机理 2 疲劳断裂的过程 零件在交变载荷作用下首先在表面缺陷处产生微裂纹 随后裂纹时而扩展 时而停滞 以致最终断裂 1 疲劳裂纹的形成2 疲劳裂纹的扩展3 疲劳断裂 根据断口形貌定性分析 1 疲劳源大多分布于零件表面 一般有1 2个 2 疲劳裂纹扩展呈贝纹状时 贝纹细密 间距小 表示材料抗疲劳性能好 疲劳强度高贝纹稀疏 间距大 表示材料疲劳强度低 3 最后断裂区所占面积很大 甚至超过断面的一半以上 说明零件产重过载 若所占面积较小或小于断面一半时 说明零件无过载或过载很小 影响零件疲劳强度的因素 材料的疲劳强度或称疲劳极限是材料经受无限次循环应力的作用而不破坏的最大应力 用符号 r表示 零件材料的疲劳强度除与材料本身的成分 组织和表面应力状态等有关外 还与零件的形状 尺寸 表面粗糙度和使用条件等有关 影响零件疲劳强度的因素 1 应力集中 应力集中是引起疲劳破坏的首要因素 零件表面上缺口引起的应力集中使其疲劳强度降越低 缺口越尖锐 降低得越厉害 2 表面状态和尺寸因素 3 使用条件 第二节柴油机气缸盖的疲劳破坏 一 高温疲劳 高温疲劳是指零件在高于材料的0 5Tm 用绝对温度表示的熔点 或高于再结晶温度时受到交变应力的作用所引起的疲劳破坏 具有以下特点 1 高温疲劳的疲劳曲线无水平部分 疲劳强度随循环周次N增加不断降低 2 高温疲劳总伴随蠕变发生 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 3 材料的高温疲劳强度与高温强度 蠕变极限和持久极限 的关系 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 说明当材料温度低于此点对应温度时 材料以疲劳破坏为主 高于此点对应温度则以蠕变破坏为主 二 热疲劳 1 热应力 零件材料产生变形的金属与变形小的金属或末产生变形的金属相互约束和牵制而产生由温差引起的应力高温面 或处 产生压应力 低温面 或处 产生拉应力 定常热应力和不定常热应力高频热应力和低频热应力 kaE T T0 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 在温度梯度最大处造成塑性应变集中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 影响热疲劳强度的因素 温度 高温使得材料的热疲劳抗力下降 温度循环和高温保持时间 快速加热 快速冷却的热疲劳寿命最低 高温保持时间越长 热疲劳寿命下降愈多 零件形状和材料腐蚀 提高材料热疲劳抗力的途径 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 三 气缸盖的疲劳破坏 1 气缸盖底面裂纹 运转过程中气缸盖底面在其工作条件下可能产生高温疲劳 蠕变和热疲劳破坏 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 三 气缸盖的疲劳破坏 2 气缸盖冷却面裂纹 是气体力 热应力和腐蚀共同作用产生裂纹 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 是腐蚀疲劳破坏 气缸盖裂纹产生的影响因素 除热应力 机械应力和腐蚀外 设计 结构上的原因 材料 工艺上的原因 操作管理和装配质量上的 第三节曲轴的疲劳破坏 曲轴的形状复杂 截面变化较多 刚性很差 存在严重的应力集中 容易产生疲劳破坏 曲轴裂纹和断裂是属于高周低应力疲劳破坏 其断裂应力甚至仅为1 3屈服极限 循环周次高于106 107 依曲轴产生裂纹的交变应力的性质不同 主要有以下三种疲劳裂纹 弯曲疲劳裂纹 扭转疲劳裂纹和弯曲 扭转疲劳裂纹 1 弯曲疲劳裂纹 部位 一般发生在主轴颈或曲柄销颈与曲柄臂连接的过渡圆角处 曲轴弯曲疲劳裂纹常发生在曲轴的中间或两端的曲柄上 逐渐扩展成横断曲柄臂的裂纹 或形成垂直轴线的裂纹 时间 经过较长时间运转之后原因 附加交变弯曲应力断口 垂直轴线 波纹线比较多见 2 扭转疲劳裂纹 部位 一般发生在曲轴上应力集中严重的油孔或过渡圆角处 曲轴扭振节点附近的曲柄上 轴颈上沿着与轴线成45 角的两个方向扩展 时间 一般是在柴油机运转初期和曲轴的临界转速位于工作转速范围内时 原因 附加交变扭转应力断口 断面与轴线相交成45 角 断面上的裂纹线近似螺旋线弯曲疲劳破坏远远多于扭转疲劳破坏 3 弯曲 扭转疲劳裂纹 曲轴的疲劳破坏还可能是由于弯曲与扭转共同作用造成 由于主轴承不均匀磨损造成曲轴上产生弯曲疲劳裂纹 继而在弯曲与扭转的共同作用下使裂纹扩展 断裂 最后断裂面与轴线成45 角有时也呈以弯曲疲劳为主或以扭转疲劳为主的破坏形式 防止或减少疲劳破坏的措施 从根本上就要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 具体措施要从零件的结构设计和制造方面着手 对于轮机员来说则要从轮机管理方面来减少船机零件的疲劳破坏 防止或减少疲劳破坏的措施 1 结构设计方面 对于零件上截面变化处 如孔 键槽 过渡圆角 螺纹等处要注意截面变化不可突然 孔的边缘 过渡圆角处应圆滑 表面要光洁 例如曲柄过渡圆角半径不应小于曲柄销径直径的5 否则就会产生严重的弯曲应力集中 防止或减少疲劳破坏的措施 2 制造方面 1 毛坯制造缺陷 如铸 锻件和焊接件中的气孔 缩孔 夹渣和微裂纹等 引起的应力集中 尤其是截面变化处缺陷更危险 容易形成裂纹源 所以 制造中首先要提高零件毛坯质量 2 零件加工表面粗糙度等级低 太粗糙 应力集中严重 容易导致裂纹 例如 要求曲轴工作表面粗糙度为Ra1 6 Ra0 4 m 非工作表面为Ra12 5 m 以降低应力集中程度 3 强化表面 提高疲劳强度 防止或减少疲劳破坏的措施 3 轮机管理方面 1 定期检测曲轴臂距差 监控曲轴轴线状态和监控主轴承下瓦的磨损情况 防止曲轴的弯曲疲劳破坏 2 加强主轴承润滑 定期检测主轴颈与主轴承的配合间隙 防止轴承下瓦过度磨损 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 保证其在运转中处于良好的工作状态 作业 1 何谓交变应力