第一节疲劳破坏.docVIP

第四章 船机零件的疲劳破坏 船上常常发生船机零件裂纹和断裂的事故。例如主、副柴油机的气缸盖、气缸套和活塞组件的裂纹，曲轴、中间轴或尾轴的裂纹和折断等。船机零件，尤其是主柴油机和轴系零件的裂纹和断裂影响极大，不仅直接危及船舶安全航行，甚至会立即酿成严重事故，造成生命、财产的重大损失。船机零件的裂纹和断裂是由于零件长时间在交变载荷作用下产生的破坏，称为疲劳破坏。疲劳破坏是一种普遍而又严重的失效形式，是船机零件故障模式之一。据统计，生产中因疲劳断裂的零件占断裂零件总数的80% 以上。轮机员对这种损坏形式不仅应该重视，而且还应具有分析零件产生疲劳破坏的原因和防止或减少此种破坏措施的知识。 第一节 疲劳破坏 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。零件长期在交变的机械应力或热应力下工作，即使最大工作应力小于静载荷下的屈服极限 σs ，但在长期工作后也会产生裂纹或断裂，即产生疲劳破坏。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)断裂应力小干材料的抗拉强度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。 一、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 为低应力、高寿命的疲劳破坏。应力较低，小于屈服极限，应力循环周数较高，一般超过～，为最常见的一种疲劳破坏，如曲轴、弹簧等零件的断裂低周疲劳 为高应力、低寿命的疲劳破坏。应力近于或等于屈服极限，应力循环周数少于～。例如，压力容器、高压管道、飞机起落架、核反应堆外壳等的裂纹和断裂。使用中应力很高，甚至超过材料的σs但循环周数很少时就发生疲劳破坏。 ?(2)按零件工作环境和接触情况分类分为大气疲劳、腐蚀疲劳、热疲劳、接触疲劳、微动磨损疲劳和激冷疲劳等。 热疲劳 由于零件受热温度变化引起热应力的反复作用造成的疲劳破坏。例如，柴油机气缸套、气缸盖受热面的裂纹。 腐蚀疲劳 零件在腐蚀性介质中受到腐蚀，并在交变载荷作用下产生的疲劳破坏。 ?(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。 二、疲劳破坏的机理 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4-1(a)、(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 或称脆断区，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。 2疲劳断裂的过程 零件的疲劳断裂是在较长时间内逐渐形成的破坏。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。这一断裂过程从疲劳断裂的断口特征的三个区域得到证实。 1) 疲劳裂纹的形成 疲劳裂纹的裂纹源位零件表面应力最大处，即有应力集中的部位或零件近表面的材料内部，即材料内部有严重的冶金缺陷或组织缺陷处。 零件表面的裂纹源多是表面上有油孔、过渡圆角、台阶、粗大刀痕等应力集中处在交变应力作用下形成的微裂纹；零件近表面材料内部由于冶炼和冷、热加工的缺陷、晶体滑移和晶界缺陷等在交变应力作用下产生的微型纹。 2) 疲劳裂纹的扩展 零件表面近表面处一旦出现疲劳微裂纹就会在交变应力作用下扩展。疲劳裂纹扩展分为两个阶段，如图4-2所示。 首先在已形成的微裂纹处，即疲劳源处裂纹沿最大切应力方(和正应力方内近似成45°角)向零件内部扩展。扩展的深度较浅，扩展的速度也很小。这是裂纹扩展的第一阶段。 随后裂纹扩展的方向改变裂纹沿着与正应力垂直方向扩展，即裂纹扩展的第二阶段。此时正应力对裂纹的扩展有着重要作用，裂纹向零件内部扩展的深度和速度远远超过第一阶段。 在交变的正应力作用下，裂纹时而扩展，时而停滞。零件裂开处的两个面时而闭合，时而分开，以致在两个断面上形成贝纹状。裂纹源附近裂纹扩展较慢，两个断裂面长时间相互摩擦与研磨，使断面光滑并有稀疏的贝纹较远处的裂纹扩展较快，两个断裂面相互研磨时间短，使断裂面粗糙，贝纹细密。 3)疲劳断裂 疲劳裂纹扩展到一定深度后，零件实际承载面积减小，当剩余