第4章-船机零件的疲劳破坏

LOGO第四章船机零件的疲劳破坏第四章船机零件的疲劳破坏零件或材料在交变载荷的长时间作用下产生裂纹和断裂的现象称为疲劳破坏。据统计，疲劳断裂的零件约占断裂零件总数的80～90％。§4-1疲劳破坏一、疲劳破坏的基本知识1、交变应力交变应力——大小和方向随时间作周期性变化的应力平均应力：应力幅值：应力循环特征：当时，为对称循环应力。当时，为对称循环应力minmax2/1mminmax2/1amaxmin10§4-1疲劳破坏疲劳断裂的定义零件或材料在交变的机械应力或热应力的长时间作用下，即使在最大工作应力小于b（甚至小于s）的情况下产生裂纹或突然断裂的现象现象称为疲劳断裂。2、疲劳断裂和特征疲劳断裂的特征（1）零件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，即具有突发性；（4）断口上有明显分区；（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）根据应力大小和循环周数分★高周疲劳破坏——低应力、高寿命疲劳断裂；特点：最大工作应力应力＜s，应力循环次数较高，一般超过106~107例子：如曲轴、弹簧等的断裂。★低周疲劳破坏——高应力、低寿命疲劳断裂特点：最大工作应力≥s，应力循环次数＜104~105例子：如压力容器、高压管道等的疲劳断裂。§4-1疲劳破坏3、疲劳断裂的种类2）根据工作环境等分类热疲劳——因温度变化引起热应力的反复作用造成的疲劳破坏。如气缸盖疲劳裂纹。高温下零件长时间承受应力σ＞σTt（高温疲劳极限）时将产生断裂。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，导致金属剥落，形成麻点引起的疲劳。如滚动轴承、齿轮等的破坏。其它疲劳形式：如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。§4-1疲劳破坏3、疲劳断裂的种类疲劳抗力指标——表征零件材料抗疲劳性能的力学参数。主要有疲劳极限、过载抗力、缺口敏感度等。1）疲劳极限——材料经无限多次应力循环的作用而不破坏的最大应力。又称疲劳强度，用符号σr表示（分为σ-1和σ0）材料的疲劳极限是由试验测定。通常碳钢是以N＝107时不断的最大应力作为疲劳极限。有色金属N＝106。§4-1疲劳破坏4、疲劳抗力指标§4-1疲劳破坏2）过载抗力——衡量过载对材料疲劳抗力的影响指标。机器运转时，常常会出现短时间的过载（工作应力短时间高于材料疲劳极限），如柴油机紧急刹车、起动或超负荷运转等，为保证安全运转，对偶然短时间的过载应考虑其对材料疲劳抗力的影响。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。4、疲劳抗力指标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。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。§4-1疲劳破坏2）过载抗力过载抗力一般可用通过试验建立的过载损害区和损害界来表示。cde——过载损害区cd——过载损害界ed——过载持久线，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3）缺口敏感度——表示零件表面缺口使材料疲劳强度降低的程度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。采用缺口敏感度q来表示疲劳强度降低的程度。Kt为最大应力集中系数，反映应力集中的程度Kf为疲劳应力集中系数缺口敏感度q值在0~1，q＝0时缺口最不敏感；q＝1时缺口最敏感。材料的缺口敏感度越大，疲劳强度越低。灰铸铁q＜0.1，对缺口极不敏感；一般的结构钢对缺口较敏感，q＝0.55~0.80§4-1疲劳破坏11tfKKq平均正应力最大正应力maxtKHfK11缺口疲劳极限光滑试件的疲劳极限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。疲劳断口通常分为三个区域：疲劳源、裂纹扩展区和最后断裂区§4-1疲劳破坏二、疲劳破坏的机理1、疲劳断裂的断口特征疲劳源（疲劳核心）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。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。最后断裂区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。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。§4-1疲劳破坏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疲劳源一般位零件表面的应力最大处（多为应力集中处或严重缺陷处）。如金属表面的油孔、台阶、过渡圆角键槽等截面突变、有切槽的地方及加工缺陷处等。零件近表面材料内部萌生微裂纹的原因有：零件材料在冶炼、毛坯加工过程中产生的气孔、夹杂、损伤等冶金缺陷；晶体滑移产生裂纹；相界面处产生裂纹；晶界处产生裂纹。§4-1疲劳破坏2、疲劳断裂的过程（2）疲劳裂纹的扩展零件表面或近表面处一旦产生疲劳微裂纹就会在交变应力的作用下扩展。疲劳裂纹的扩展一般分两个阶段。§4-1疲劳破坏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（剪断）。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（受拉）。裂纹扩展的深度和速度较大，断面呈贝纹状。2、疲劳断裂的过程（3）疲劳断裂疲劳裂纹扩展到临界尺寸后，实际承载面积减小，即断面上剩余面积承受不了载荷的作用时发生瞬间突然断裂，在断面上呈现出最后断裂区。§4-1疲劳破坏疲劳断口三个区域的状况与零件工作时受到的载荷、应力状态、零件材料和制造工艺等有关。由疲劳断口的宏观形貌可以定性地分析零件断裂前的负荷情况、材料性能和寿命等。2、疲劳断裂的过程各种疲劳断口的形貌§4-1疲劳破坏从图中分析可得出如下一些结论（1）疲劳源大多分布于零件表面，一般有1~2个；（2）裂纹扩展区呈贝纹状时，贝纹线间距小，贝纹细密，表明材料抗疲劳性能好，疲劳强度高；反之贝纹线间距大，贝纹稀疏，表明材料抗疲劳性能差，疲劳强度低；若疲劳源区与裂纹扩展区断面粗糙、疲劳源数多和贝纹线间距较大时，可能是应力集中严重和有较大的过载作用。（3）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载荷，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。（4）在相同条件下，高应力状态零件的最后断裂区大于低应力状态零件。§4-1疲劳破坏