4-1第一節(jié)疲勞破壞

第四章船機(jī)零件的疲勞破壞船上常常發(fā)生船機(jī)零件裂紋和斷裂的事故。 例如主、副柴油機(jī)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(jī)零件，尤其是主柴油機(jī)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?xí)⒓瘁劤蓢?yán)重事故，造成生命、財(cái)產(chǎn)的重大損失。船機(jī)零件的裂紋和斷裂是由于零件長時(shí)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(yán)重的失效形式，是船機(jī)零件故障模式之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(jī)員對這種損壞形式不僅應(yīng)該重視，而且還應(yīng)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(shí)。第一節(jié)疲勞破壞零件材料長時(shí)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(shí)間發(fā)生周期性變化的載荷稱為交變載荷，所引起的應(yīng)力稱為交變應(yīng)力。機(jī)零件長期在交變的械應(yīng)力或熱應(yīng)力下工作，即使最大工作應(yīng)力小于靜載荷下的屈服極限 0,但在長期工作S后也會(huì)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(shí)具有以下特征：(1)零件是在交變載荷作用下經(jīng)過較長時(shí)間的使用；⑵斷裂應(yīng)力小干材料的抗拉強(qiáng)度 Ob,甚至小于屈服強(qiáng)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(zhì)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(yīng)力大小和循環(huán)周數(shù)分類：高周疲勞為低應(yīng)力、高壽命的疲勞破壞。應(yīng)力較低，小于屈服極限，應(yīng)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(yīng)力、低壽命的疲勞破壞。應(yīng)力近于或等于屈服極限，應(yīng)力循環(huán)周數(shù)少于1()4?IO.例如，壓力容器、高壓管道、飛機(jī)起落架、核反應(yīng)堆外殼等的裂紋和斷裂。使用中應(yīng)力很高，甚至超過材料的 5但循環(huán)周數(shù)很少時(shí)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(dòng)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(yīng)力的反復(fù)作用造成的疲勞破壞。例如，柴油機(jī)氣缸套、氣缸蓋受熱面的裂紋。腐蝕疲勞 零件在腐蝕性介質(zhì)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(yīng)力狀態(tài)分類：有彎曲疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞、軸向拉壓疲勞和復(fù)合疲勞等。二、 疲勞破壞的機(jī)理疲勞斷裂的斷口特征零件或構(gòu)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(kuò)展， 直至斷裂的全過程?？梢愿鶕?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(zhuǎn)疲勞斷裂的宏觀形貌，分為三個(gè)區(qū)域：S4-3 的新口舷越純G彎曲疲勞翫口“｝祖轉(zhuǎn)疲勞斷口I-飯勞源潔-裂疑擴(kuò)?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(gè)或多個(gè)疲勞裂紋的開始點(diǎn)， 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(kuò)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(gè)斷裂表面長時(shí)間互相研磨所致；貝紋是負(fù)荷變化時(shí)裂紋前沿線擴(kuò)展遺留下的痕跡。 貝紋從疲勞源開始后向四周擴(kuò)展并與裂紋擴(kuò)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(kuò)展區(qū)明顯不同。脆性材料呈結(jié)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(shí)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(shí)而擴(kuò)展，時(shí)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(gè)區(qū)域得到證實(shí)。1） 疲勞裂紋的形成疲勞裂紋的裂紋源位于零件表面應(yīng)力最大處，即有應(yīng)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(yán)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(tái)階、粗大刀痕等應(yīng)力集中處在交變應(yīng)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(yīng)力作用下產(chǎn)生的微型紋。2） 疲勞裂紋的擴(kuò)展零件表面或近表面處一旦出現(xiàn)疲勞微裂紋就會(huì)在交變應(yīng)力作用下擴(kuò)展。 疲勞裂紋擴(kuò)展分為兩個(gè)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(yīng)力方向 （和正應(yīng)力方內(nèi)近似成45°角）向零件內(nèi)部擴(kuò)展。擴(kuò)展的深度較淺，擴(kuò)展的速度也很小。這是裂紋擴(kuò)展的第一階段。隨后裂紋擴(kuò)展的方向改變，裂紋沿著與正應(yīng)力垂直方向擴(kuò)展，即裂紋擴(kuò)展的第二階段。此時(shí)正應(yīng)力對裂紋的擴(kuò)展有著重要作用，使裂紋向零件內(nèi)部擴(kuò)展的深度和速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過第一階段。在交變的正應(yīng)力作用下，裂紋時(shí)而擴(kuò)展，時(shí)而停滯。零件裂開處的兩個(gè)面時(shí)而閉合，時(shí)而分開，以致在兩個(gè)斷面上形成“貝紋狀” o裂紋源附近裂紋擴(kuò)展較慢，兩個(gè)斷裂面長時(shí)間相互摩擦與研磨，使斷面光滑并有稀疏的貝紋； 較遠(yuǎn)處的裂紋擴(kuò)展較快，兩個(gè)斷裂面相互研磨時(shí)間短，使斷裂面粗糙，貝紋細(xì)密。3） 疲勞斷裂疲勞裂紋擴(kuò)展到一定深度后，零件實(shí)際承載面積減小，當(dāng)剩余面積承受不了載荷作用時(shí)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(gè)區(qū)域的狀況與零件工作時(shí)的載荷、 應(yīng)力狀態(tài)、零件材料性能及加工情況等有關(guān)。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(gè)。⑵疲勞裂紋擴(kuò)展呈貝紋狀時(shí)，貝紋細(xì)密、間距小，表示材料抗疲勞性能好，疲勞強(qiáng)度高。貝紋稀疏、間距大，表示材料疲勞強(qiáng)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(yán)重過載；若所占面積較小或小于斷面一半時(shí)，說明零件無過載或過載很小。在相同條件下，高應(yīng)力狀態(tài)零件的最后斷裂區(qū)的面積大于低應(yīng)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(gè)疲勞源，承受雙向彎曲的零件有2個(gè)疲勞源；承受單向彎曲的零件與承受扭轉(zhuǎn)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(zhuǎn)，并由于零件上缺口應(yīng)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(qiáng)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(yīng)力與斷裂前應(yīng)力循環(huán)周數(shù)之間的關(guān)系如圖4~4所示。由6 —JgN坐標(biāo)申的疲勞曲線可知，材料承受的最大交變應(yīng)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(huì)發(fā)生疲勞斷裂。無限次循環(huán)應(yīng)力的作用而不破壞的最大應(yīng)力，的1-1,所以對稱循環(huán)應(yīng)力下的疲勞強(qiáng)度用零件材料的疲勞強(qiáng)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(guān)。maxN越多，壽命越長。當(dāng)6低于某一值時(shí)，max所以，材料的疲勞強(qiáng)度或稱疲勞極限是材料經(jīng)受用符號(hào)"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(yīng)力狀態(tài)等有關(guān)外， 還與零件的應(yīng)力集屮由于零件表面上的臺(tái)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(huì)引起應(yīng)力集屮，當(dāng)應(yīng)力最大值超過材料的許用應(yīng)力時(shí)就會(huì)形成疲勞源，導(dǎo)致疲勞破壞，所以，應(yīng)力集中是引起疲勞破壞的首要因素。試驗(yàn)表明，零件表面上缺口引起的應(yīng)力集中使其疲勞強(qiáng)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(yīng)力H中表面狀態(tài)是指零件加工表面的粗糙度、 應(yīng)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(qiáng)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(qiáng)度也不一樣。例如，鋼、鋁合金粗車后的疲勞強(qiáng)度較拋光后的低 n%?20%o零件表面層處于殘余壓應(yīng)力狀態(tài)可有效地提高疲勞強(qiáng)度。 采用滾壓、噴丸等表面變形強(qiáng)化工藝可提高零件的疲勞強(qiáng)度。零件疲勞強(qiáng)度還會(huì)隨尺寸增大而降低，因?yàn)槌叽缭龃?，零件表面積增大，表面缺陷增多，相應(yīng)增加疲勞破壞的概率。使用條件機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)屮，載荷狀況、工作溫度和環(huán)境介質(zhì)等均對零件的疲勞強(qiáng)度有很大影響。過載將造成過載損傷使材料的疲勞強(qiáng)度降低。工作溫度升高會(huì)使材料的疲勞強(qiáng)度降低，反之會(huì)增加。零件在腐蝕性介質(zhì)屮工作時(shí)，零件表面被腐蝕形成缺口，產(chǎn)生應(yīng)力集中而使材料的疲勞強(qiáng)度降低。疲勞抗力指標(biāo)表征零件材料抗疲勞性能的力學(xué)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(yīng)力與斷裂前周數(shù)Z間的關(guān)系如圖 4-1所示。由6max—覽N坐標(biāo)中的疲勞曲線可知，材料承受的最大交變應(yīng)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(dāng)應(yīng)力低于某一值時(shí)，循環(huán)無限次也不會(huì)發(fā)生疲勞斷裂，該應(yīng)力稱為材料的疲勞極限。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)力循環(huán)的作用而不被破壞的最大應(yīng)力，用符號(hào)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(yīng)力下的疲勞極限用 6-1表示。材料的疲勞極限是由試驗(yàn)測定。例如，常溫下的碳鋼、合金結(jié)構(gòu)和鑄鐵，在 N達(dá)到IO?后曲線出現(xiàn)水平階段。所以這類材料是以 N二107時(shí)不斷的最大應(yīng)力作為疲勞極限。過載抗力機(jī)器在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，常常會(huì)出現(xiàn)短時(shí)間的過載，相應(yīng)的零件處于短時(shí)間高于其材料的疲勞極限的工作應(yīng)力狀態(tài)。例如，柴油機(jī)緊急剎車、起動(dòng)或超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)等。為了保證安全運(yùn)轉(zhuǎn)對偶然短時(shí)間過載應(yīng)考慮其對材料的疲勞抗力的影響。q<0.1q<0.1；一?般結(jié)構(gòu)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(dāng)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(kuò)展。而不適當(dāng)過載（包括過載的大小和過載循環(huán)次數(shù)的多少）將會(huì)造成過載損傷，降低材料的疲勞極限，導(dǎo)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(kuò)展達(dá)到了一定尺寸，在過載后的正常運(yùn)轉(zhuǎn)中不斷擴(kuò)展導(dǎo)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(yàn)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(dāng)零件在過載負(fù)荷6i、循環(huán)周數(shù)Nb工作，即工作點(diǎn)B進(jìn)入過載損害區(qū)時(shí)，過載就會(huì)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(yīng)力下直到斷裂所能經(jīng)受的最大應(yīng)力循環(huán)周數(shù)。由于零件短時(shí)間過載不可避免，所以零件選材時(shí)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(tái)階、螺紋等各種幾何形狀的缺口時(shí)，在使用中就會(huì)在缺口的根部產(chǎn)生應(yīng)力集屮，使材料的疲勞強(qiáng)度降低。采用缺口敏感度來表示疲勞強(qiáng)度降低的程度。缺口敏感度q表達(dá)式為：式屮：Kt二靜力理論應(yīng)力集中系數(shù),Kf二疲勞應(yīng)力集屮系數(shù),式屮：Kt二靜力理論應(yīng)力集中系數(shù),Kf二疲勞應(yīng)力集屮系數(shù),Kt是試件缺口根部處的最大應(yīng)力 6max與光滑試件橫截面上均勻應(yīng)力 6之比，與缺口的幾何形狀、尺寸及缺口曲率半徑有關(guān)，與材料性能無關(guān)。 Kt值可從機(jī)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(guān)。在中等強(qiáng)度范圍內(nèi)，材料強(qiáng)度越高， Kf值越大，一般KfWKt。當(dāng)Kf二Kt時(shí)，q二1,表示此時(shí)疲勞應(yīng)力集中最嚴(yán)重，缺口最敏感；當(dāng) Kf二1時(shí)，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(diǎn)）或高于再結(jié)晶溫度時(shí)受到交變應(yīng)力的作用所引起的疲勞破壞。生產(chǎn)中有許多機(jī)器零件是在高溫和交變載荷作用下工作。如汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)的葉輪和葉片，柴油機(jī)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(diǎn)：（1）高溫疲勞的疲勞曲線無水平部分， 疲勞強(qiáng)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(qiáng)度用規(guī)定循環(huán)周次下的疲勞強(qiáng)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(qiáng)烈。不同材料顯著發(fā)生蠕變的溫度不同，一般當(dāng)材料溫度超過 0.3Tm時(shí)蠕變顯著發(fā)生，使材料的疲勞強(qiáng)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(qiáng)度與高溫強(qiáng)度 歸變極限和持久極限）的關(guān)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(diǎn)，說明當(dāng)材料溫度低于此點(diǎn)對應(yīng)溫度時(shí)，材料以疲勞破壞為主；高于此點(diǎn)對應(yīng)溫度則以蠕變破壞為主。2.熱疲勞1）熱應(yīng)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(shí)， 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(yīng)力，即熱應(yīng)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(huì)產(chǎn)生熱府力，高溫面 或處）產(chǎn)生壓應(yīng)力，低溫或處）產(chǎn)生拉應(yīng)力。例如，柴油機(jī)氣缸蓋底面 觸火面）溫度高達(dá)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(yīng)力，冷卻面金屬受高溫底面變形金屬的牽制產(chǎn)生拉應(yīng)力。 底面屮心和邊緣也會(huì)由于溫差在屮心處產(chǎn)生壓應(yīng)力，在邊緣處產(chǎn)生拉應(yīng)力。溫差越大，熱應(yīng)力也越大。根據(jù)熱應(yīng)力與時(shí)間的關(guān)系分為定常熱應(yīng)力和不定常熱應(yīng)力。定常熱應(yīng)力是指不隨時(shí)間變化的熱應(yīng)力，例如穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的柴油機(jī)燃燒室零件的溫度可視為不變化，所產(chǎn)生的熱應(yīng)力為定常熱應(yīng)力。不定常熱應(yīng)力是指隨時(shí)間變化的熱應(yīng)力。根據(jù)熱應(yīng)力變化的頻率分為高頻熱應(yīng)力和低頻熱應(yīng)力。柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，周期變化的高溫燃?xì)庾饔靡鹑紵伊慵|火面高溫也是周期變化的，頻率高，故產(chǎn)生高頻熱應(yīng)力。柴油機(jī)其變化周期與起動(dòng)、