第四章 船机零件的疲劳破坏4.ppt

* 武汉理工大学 能源与动力工程学院 第四章 船机零件的疲劳破坏 第四章船机零件的疲劳破坏 授课学时：2学时 重点：疲劳破坏的机理 难点：气缸盖和曲轴的疲劳破坏 要求掌握的知识点： 疲劳破坏的定义 疲劳断裂的过程 零件材料的疲劳强度与哪些因素有关？ 高温疲劳和热疲劳 第四章船机零件的疲劳破坏 第一节 疲劳破坏 定义: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. (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。 第四章船机零件的疲劳破坏 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 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 激冷疲劳 (3)按应力状态分类 弯曲疲劳、扭转疲劳、轴向拉压疲劳和复合疲劳 第四章船机零件的疲劳破坏 二、疲劳破坏的机理 l.疲劳断裂的断口特征 疲劳源 裂纹扩展区 最后断裂区域 2. 疲劳断裂的过程 疲劳裂纹的形成 疲劳裂纹的扩展 疲劳断裂 图4-1疲劳断裂的断口 图4-2疲劳裂纹的扩展 第四章船机零件的疲劳破坏 (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，说明零件严重过载: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。 在相同条件下，高应力状态零件的最后断裂区的面积大于低应力状态零件的最后断裂区的面积；承受单向弯曲的零件仅有l个疲劳源，承受双向弯曲的零件有2个疲劳源；承受单向弯曲的零件与承受扭转弯曲的零件的最后断裂区的形状不同，后者的疲劳源与最后断裂区的相对位置发生偏转，并由于零件上缺口应力集中的影响较大，使最后断裂面积很小且与零件断面呈同心状。 第四章船机零件的疲劳破坏 3.影响零件疲劳强度的因素 1)应力集中 (台阶、键槽、油孔或螺纹等截面变化处) 2)表面状态和尺寸因素 (粗糙度、应力状态、成分和性能的变化等) 3)使用条件 (载荷状况、工作温度和环境介质) 图4-3疲劳曲线 第四章船机零件的疲劳破坏 三、高温疲劳和热疲劳 高温疲劳是指零件在高于材料的0.5Tm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。 高温疲劳特点： (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。因此，高温下的材料疲劳强度用规定循环周次下的疲劳强度表示，一般取5*107或108次。 (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。 图4-5 第四章船机零件的疲劳破坏 2.热疲劳 1）热应力 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. 根据热应力变化的频率分为高频热应力和低频热应力. 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。 提高材料热疲劳抗力的途径： 尽可能地减少甚至消除零件上的应力集中和应变集中; 提高材料的高温强度; 提高材料的塑性; 降低材料的热膨胀系数。