輪機(jī)維護(hù)與修理第四章(培訓(xùn)教材)

1、輪機(jī)維護(hù)與修理輪機(jī)維護(hù)與修理重慶交通大學(xué)航海學(xué)院1ChongQing JiaoTong UniversityChapter 4 船機(jī)零件的疲勞破壞（Fatigue Fracture）柴油機(jī)許多零件（如曲軸、活塞、缸蓋、齒輪、連桿螺栓等）承受著交變載荷的作用，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后會(huì)發(fā)生斷裂，而在這些斷裂中，疲勞斷裂占到了8090。交變應(yīng)力疲勞破壞輪機(jī)維護(hù)與修理輪機(jī)維護(hù)與修理重慶交通大學(xué)航海學(xué)院2ChongQing JiaoTong UniversityChapter 4 船機(jī)零件的疲勞破壞（Fatigue Fracture）重點(diǎn)：疲勞破壞的機(jī)理難點(diǎn)：氣缸蓋和曲軸的疲勞破壞要求掌握的知識(shí)點(diǎn)：疲勞破壞的

2、定義疲勞斷裂的過(guò)程零件材料的疲勞強(qiáng)度與哪些因素有關(guān)？高溫疲勞和熱疲勞輪機(jī)維護(hù)與修理輪機(jī)維護(hù)與修理重慶交通大學(xué)航海學(xué)院3ChongQing JiaoTong University 4-1 金屬疲勞破壞 4-2 柴油機(jī)氣缸蓋（Cylinder head）的疲勞破壞 4-3 曲軸（Crankshaft）的疲勞破壞 練習(xí)題 本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容輪機(jī)維護(hù)與修理輪機(jī)維護(hù)與修理重慶交通大學(xué)航海學(xué)院4ChongQing JiaoTong University4-1 金屬疲勞破壞金屬疲勞破壞3 疲勞斷裂的特點(diǎn)4 影響疲勞強(qiáng)度的因素1.1 定義1.2 疲勞斷裂的種類1.3 疲勞抗力指標(biāo)1 疲勞斷裂的概述2.1

3、 疲勞斷裂的斷口特征2.2 疲勞斷裂的過(guò)程2 疲勞斷裂的機(jī)理輪機(jī)維護(hù)與修理輪機(jī)維護(hù)與修理重慶交通大學(xué)航海學(xué)院5ChongQing JiaoTong University1.1 疲勞斷裂定義疲勞斷裂定義疲勞斷裂：疲勞斷裂： 零件或材料在交變載荷長(zhǎng)時(shí)間作用下，在應(yīng)力b(甚至105）,最常見(jiàn)（曲軸、彈簧等斷裂）。低周疲勞破壞低周疲勞破壞特點(diǎn)：特點(diǎn)：應(yīng)力大（s）,低頻加載，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)104105 （如壓力容器、高壓管道等的斷裂破壞）2）根據(jù)工作環(huán)境等分類：）根據(jù)工作環(huán)境等分類：熱疲勞熱疲勞：因零件受溫度變化引起熱應(yīng)力反復(fù)作用造成的疲勞破壞。如缸蓋疲勞裂紋。腐蝕疲勞腐蝕疲勞：由于交變應(yīng)力與腐蝕介質(zhì)的共

4、同作用而導(dǎo)致的疲勞破壞。接觸疲勞破壞接觸疲勞破壞： 由于接觸應(yīng)力的反復(fù)作用，導(dǎo)致形成金屬剝落，形成麻點(diǎn)。如滾動(dòng)軸承、齒輪等的破壞。其它疲勞形式：其它疲勞形式：如接觸疲勞、微動(dòng)磨損疲勞和激冷疲勞等。3）按應(yīng)力種類分：）按應(yīng)力種類分：彎曲疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞、復(fù)合疲勞等。 輪機(jī)維護(hù)與修理輪機(jī)維護(hù)與修理重慶交通大學(xué)航海學(xué)院8ChongQing JiaoTong University1.3 疲勞抗力指標(biāo)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：1）疲勞極限2）過(guò)載抗力3）疲勞缺口敏感度輪機(jī)維護(hù)與修理輪機(jī)維護(hù)與修理重慶交通大學(xué)航海學(xué)院9ChongQing JiaoTong University1

5、）疲勞極限）疲勞極限疲勞極限（疲勞極限（MPa）：當(dāng)應(yīng)力低于某一數(shù)值時(shí)，循環(huán)無(wú)限次，材料也不會(huì)發(fā)生疲勞斷裂，該應(yīng)力稱為材料的疲勞極限。材料的疲勞極限由試驗(yàn)測(cè)定材料的疲勞極限由試驗(yàn)測(cè)定：例如，常溫下的碳鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼和鑄鐵，在n達(dá)107后曲線出現(xiàn)水平階段。所以這類材料是以N107時(shí)不斷的最大應(yīng)力作為疲勞極限。輪機(jī)維護(hù)與修理輪機(jī)維護(hù)與修理重慶交通大學(xué)航海學(xué)院10ChongQing JiaoTong University2）過(guò)載抗力過(guò)載抗力：過(guò)載抗力：衡量過(guò)載對(duì)材料疲勞抗力的影響指標(biāo)。例如，柴油機(jī)緊急剎車、起動(dòng)或超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)等。過(guò)載危害：過(guò)載危害：不適當(dāng)過(guò)載（包括過(guò)載的大小和過(guò)載循環(huán)次數(shù)的多少）將會(huì)造

6、成過(guò)載損傷，降低材料疲勞極限，導(dǎo)致零件疲勞破壞。原因原因：過(guò)載引發(fā)材料內(nèi)部微裂紋擴(kuò)展達(dá)到了一定尺寸，在過(guò)載后的正常運(yùn)轉(zhuǎn)中不斷擴(kuò)展導(dǎo)致疲勞斷裂。因零件短時(shí)間過(guò)載不可避免，故零件選材時(shí)宜選用過(guò)載抗力較高材料。輪機(jī)維護(hù)與修理輪機(jī)維護(hù)與修理重慶交通大學(xué)航海學(xué)院11ChongQing JiaoTong University3）疲勞缺口敏感度）疲勞缺口敏感度零件表面開(kāi)鍵槽、油孔、螺紋等各種缺口時(shí)，會(huì)在缺口根部產(chǎn)生應(yīng)力集中，使材料疲勞強(qiáng)度降低。疲勞缺口敏感度疲勞缺口敏感度：g（Kf1）/（Kt1）式中：Kt靜力理論應(yīng)力集中系數(shù)，Ktmax /； Kf疲勞應(yīng)力集中系數(shù)，Kf1 1n 。Kt：與缺口的幾何形狀、

7、尺寸及缺口曲率半徑有關(guān)，與材料性能無(wú)關(guān)。Kt值可從機(jī)值可從機(jī)械工程手冊(cè)中查得。械工程手冊(cè)中查得。Kf：與缺口的形狀、尺寸和材料性能有關(guān)。 Kf值由材料試驗(yàn)所得。值由材料試驗(yàn)所得。在中等強(qiáng)度范圍內(nèi)，材料強(qiáng)度越高，Kf值越大，一般KfKt。當(dāng)KfKt時(shí)，g1，表示此時(shí)疲勞應(yīng)力集中最嚴(yán)重，缺口最敏感；，表示此時(shí)疲勞應(yīng)力集中最嚴(yán)重，缺口最敏感；當(dāng)Kf1時(shí)，11n，則g =0，表示零件雖有缺口但不影響材料，表示零件雖有缺口但不影響材料1，缺口最不，缺口最不敏感。敏感。材料的缺口敏感度材料的缺口敏感度g 在在01之間。之間。g值越小，缺口越不敏感。值越小，缺口越不敏感。鑄鐵對(duì)缺口極不敏感，g0.1；一般結(jié)

8、構(gòu)鋼對(duì)缺口較為敏感，g0.550.80。輪機(jī)維護(hù)與修理輪機(jī)維護(hù)與修理重慶交通大學(xué)航海學(xué)院12ChongQing JiaoTong University2 疲勞斷裂的機(jī)理2.1 疲勞斷裂的斷口特征2.2 疲勞斷裂的過(guò)程輪機(jī)維護(hù)與修理輪機(jī)維護(hù)與修理重慶交通大學(xué)航海學(xué)院13ChongQing JiaoTong University 2.1 疲勞斷裂的斷口特征 零件或構(gòu)件疲勞斷裂后，斷口形貌呈現(xiàn)從裂紋產(chǎn)生到裂紋擴(kuò)展，直至斷裂的全過(guò)程。可根據(jù)斷口形貌特征來(lái)分析零件的斷裂原因。彎曲疲勞斷裂和扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂宏觀形貌，分為三個(gè)區(qū)域：（1）疲勞源）疲勞源 用肉眼或低倍放大鏡在斷口上可找到一個(gè)或多個(gè)疲勞裂紋的開(kāi)始點(diǎn)

9、，稱為疲勞源。疲勞源一般出現(xiàn)在零件表面或近表面處疲勞源一般出現(xiàn)在零件表面或近表面處。（2）裂紋擴(kuò)展區(qū)）裂紋擴(kuò)展區(qū) 呈光滑狀或貝紋狀，一般占較大面積。光滑狀是兩斷裂表面長(zhǎng)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(kāi)始后向四周擴(kuò)展并與裂紋擴(kuò)展方向垂直貝紋從疲勞源開(kāi)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)域稱脆斷區(qū)）最后斷裂區(qū)域稱脆斷區(qū) 零件瞬間突然斷裂，斷口晶粒較粗大斷口晶粒較粗大，與發(fā)暗的裂紋擴(kuò)展區(qū)明顯不同。脆性材料呈結(jié)晶狀脆性材料呈結(jié)晶狀；塑性材料呈纖維狀塑性材料呈纖維狀。交變應(yīng)力反復(fù)作用交變應(yīng)力反復(fù)作用微觀疲勞裂紋微觀疲勞裂紋裂紋擴(kuò)展（時(shí)而擴(kuò)展，時(shí)

10、而停止）裂紋擴(kuò)展（時(shí)而擴(kuò)展，時(shí)而停止）承載面積減少承載面積減少最后斷裂。最后斷裂。 輪機(jī)維護(hù)與修理輪機(jī)維護(hù)與修理重慶交通大學(xué)航海學(xué)院14ChongQing JiaoTong University彎曲疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂的宏觀形貌輪機(jī)維護(hù)與修理輪機(jī)維護(hù)與修理重慶交通大學(xué)航海學(xué)院15ChongQing JiaoTong University2.2 疲勞斷裂的過(guò)程疲勞斷裂的過(guò)程疲勞斷裂過(guò)程三個(gè)過(guò)程：1) 疲勞裂紋的形成：疲勞裂紋的形成：形成部位：應(yīng)力最大、薄弱環(huán)節(jié)。在截面突變、有切槽的地方、加工缺陷處等有較大應(yīng)力集中。2) 疲勞裂紋的擴(kuò)展疲勞裂紋的擴(kuò)展：第一階段：切向擴(kuò)展階段。沿最大切應(yīng)力（與正應(yīng)力成

11、45角）的方向金屬內(nèi)部擴(kuò)展，深度較淺(0.1mm)，擴(kuò)展速度很小。第二階段：裂紋改變方向，沿與正應(yīng)力垂直方向擴(kuò)展，正應(yīng)力對(duì)裂紋的擴(kuò)展起重要作用。3) 疲勞斷裂疲勞斷裂最后斷裂區(qū)的面積與所受載荷有關(guān)，面積大，說(shuō)明過(guò)載越重。當(dāng)其面積小于斷口面積的一半時(shí)，說(shuō)明零件無(wú)過(guò)載或過(guò)載很小。 輪機(jī)維護(hù)與修理輪機(jī)維護(hù)與修理重慶交通大學(xué)航海學(xué)院16ChongQing JiaoTong University3 疲勞斷裂的特點(diǎn)疲勞斷裂的特點(diǎn)1) 突發(fā)性：斷裂前無(wú)明顯的塑變；2) 疲勞斷裂前零件一般經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間的使用；3) 工作應(yīng)力小于材料的強(qiáng)度極限，甚至小于屈服強(qiáng)度；4) 零件的幾何形狀、尺寸、表面質(zhì)量和表面受力狀態(tài)直

12、接影響零件的疲勞斷裂；5) 斷口形貌特殊：分三個(gè)區(qū)（每個(gè)區(qū)對(duì)應(yīng)一個(gè)過(guò)程）。疲勞源：一般出現(xiàn)在零件的表面。一般有12個(gè)。裂紋擴(kuò)展區(qū)：呈貝紋狀，是裂紋擴(kuò)展留下的痕跡。最后斷裂區(qū)：晶粒粗大。所占面積越大，超過(guò)斷口面積一半以上，說(shuō)明零件承受嚴(yán)重的過(guò)負(fù)荷，其壽命也越短。若所占面積較小，小于斷口面積之半時(shí)，說(shuō)明零件無(wú)過(guò)載或過(guò)載很小。在相同條件下，高應(yīng)力狀態(tài)零件最后斷裂區(qū)面積大于低應(yīng)力狀態(tài)零件；疲勞源數(shù)目不同，單相彎曲僅有1個(gè)，雙向彎曲有2個(gè)；最后斷裂區(qū)形狀不同，單相彎曲與扭轉(zhuǎn)彎曲相比，后者的疲勞源與最后斷裂區(qū)相對(duì)位置發(fā)生偏轉(zhuǎn)，同時(shí)由于零件上缺口應(yīng)力集中的影響較大，最后斷裂區(qū)很小且與零件斷面呈同心狀。輪機(jī)維

13、護(hù)與修理輪機(jī)維護(hù)與修理重慶交通大學(xué)航海學(xué)院17ChongQing JiaoTong University輪機(jī)維護(hù)與修理輪機(jī)維護(hù)與修理重慶交通大學(xué)航海學(xué)院18ChongQing JiaoTong University輪機(jī)維護(hù)與修理輪機(jī)維護(hù)與修理重慶交通大學(xué)航海學(xué)院19ChongQing JiaoTong University輪機(jī)維護(hù)與修理輪機(jī)維護(hù)與修理重慶交通大學(xué)航海學(xué)院20ChongQing JiaoTong University4 影響疲勞強(qiáng)度的因素外部因素：外部因素：零件的形狀、尺寸、表面粗糙度和使用條件等；內(nèi)部因素：內(nèi)部因素：材料的成分、組織、夾雜物和表面應(yīng)力狀態(tài)等。疲勞強(qiáng)度是零件設(shè)計(jì)、

14、選材和制訂加工工藝時(shí)的重要參數(shù)，直接關(guān)系到零件使用壽命。主要包括：4.1 應(yīng)力集中4.2 表面狀態(tài)和尺寸因素4.3 使用條件4.4 材料的成分、組織和夾雜物輪機(jī)維護(hù)與修理輪機(jī)維護(hù)與修理重慶交通大學(xué)航海學(xué)院21ChongQing JiaoTong University4.1 應(yīng)力集中 應(yīng)力集中引起的疲勞破壞居所有導(dǎo)致疲勞失效因素中的首位。 試驗(yàn)表明，零件上缺口引起應(yīng)力集中使疲勞極限降低，缺口越尖銳，降低越嚴(yán)重。輪機(jī)維護(hù)與修理輪機(jī)維護(hù)與修理重慶交通大學(xué)航海學(xué)院22ChongQing JiaoTong University4.2 零件加工的表面狀態(tài)和尺寸因素1）表面狀態(tài)）表面狀態(tài)：指表面粗糙度、表面

15、成分和性能的變化、表面殘余應(yīng)力表面粗糙度、表面成分和性能的變化、表面殘余應(yīng)力等。粗糙度：粗糙度：表面粗糙 -1。如鋼、鋁合金粗車-1比拋光低1020。表面強(qiáng)化處理：表面強(qiáng)化處理：表面強(qiáng)化零件表面化學(xué)成分和組織變化 表面機(jī)械性能變化。如經(jīng)滲碳或氮化處理光滑鋼試樣彎曲、扭轉(zhuǎn)疲勞極限15100；缺口試樣經(jīng)滲碳或氮化處理疲勞極限達(dá)230300。柴油機(jī)曲軸采用此種強(qiáng)化工藝。表面變形強(qiáng)化：表面變形強(qiáng)化：處理使表面塑性變形抗力增加，在表面層內(nèi)形成殘余壓應(yīng)力，提高疲勞極限。滾壓、噴丸等工藝用來(lái)提高零件的疲勞極限。2）疲勞強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)：）疲勞強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)：材料尺寸尺寸 -1 ，強(qiáng)度越高疲勞極限下降越快。該現(xiàn)

16、象稱為。原因是：原因是：疲勞源于表面，尺寸表面積 表面疲勞破壞概率 。（加工尺寸大1倍的曲軸，價(jià)格增加決不止1倍。）輪機(jī)維護(hù)與修理輪機(jī)維護(hù)與修理重慶交通大學(xué)航海學(xué)院23ChongQing JiaoTong University4.3 使用條件1）過(guò)載： 過(guò)載將造成過(guò)載損傷，材料的疲勞極限 。2）使用溫度： 溫度材料疲勞極限，溫度疲勞極限。 但溫度過(guò)低材料變脆材料疲勞極限。3）環(huán)境介質(zhì)： 零件在腐蝕介質(zhì)中工作時(shí)的零件表面被腐蝕形成缺口，產(chǎn)生應(yīng)力集中而使零件材料的疲勞極限下降。輪機(jī)維護(hù)與修理輪機(jī)維護(hù)與修理重慶交通大學(xué)航海學(xué)院24ChongQing JiaoTong University4.4 材料

17、的成分、組織和夾雜物 一定條件下凡使材料的強(qiáng)度提高的因素，一般來(lái)說(shuō)也可使其疲勞強(qiáng)度提高。1）熱處理： 熱處理對(duì)材料疲勞強(qiáng)度的影響材料成分對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響。2）除雜 鋼中的非金屬夾雜物是產(chǎn)生疲勞裂紋的發(fā)源地，鋼中的夾雜夾雜物越少其疲勞強(qiáng)度越高物越少其疲勞強(qiáng)度越高。輪機(jī)維護(hù)與修理輪機(jī)維護(hù)與修理重慶交通大學(xué)航海學(xué)院25ChongQing JiaoTong University4-2 柴油機(jī)氣缸蓋（Cylinder head）的疲勞破壞 1.1 高溫疲勞1.2 熱疲勞1.3 提高抗熱疲勞的途徑1 高溫疲勞和熱疲勞高溫疲勞和熱疲勞2.1 底面（觸火面）裂紋2.2 冷面（觸水面）裂紋2.3 外表面裂紋2

18、氣缸蓋的疲勞破壞氣缸蓋的疲勞破壞輪機(jī)維護(hù)與修理輪機(jī)維護(hù)與修理重慶交通大學(xué)航海學(xué)院26ChongQing JiaoTong University1.1 高溫疲勞定義：定義：零件在高于材料的高于材料的0.5Tm（Tm用絕對(duì)溫度表示的熔點(diǎn)）或高于其再結(jié)晶高于其再結(jié)晶溫度溫度時(shí)，受到循環(huán)交變應(yīng)力作用所引起的疲勞破壞。汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)葉輪和葉片、柴油機(jī)排氣閥等處于該工作狀態(tài)。原因：原因：在高溫下，材料持久強(qiáng)度、蠕變極限、疲勞極限均下降。中溫疲勞：中溫疲勞：高于常溫，低于0.5 Tm的疲勞稱為中溫疲勞。 輪機(jī)維護(hù)與修理輪機(jī)維護(hù)與修理重慶交通大學(xué)航海學(xué)院27ChongQing JiaoTong Univer

19、sity高溫疲勞的特點(diǎn)1）高溫疲勞曲線中不出現(xiàn)（圖44）水平部分交變應(yīng)力循環(huán)周次疲勞極限疲勞極限。故高溫下材料疲勞極限疲勞極限用規(guī)定循環(huán)周次下的疲勞極限表示，一般取5107或108次。2）高溫疲勞總伴隨蠕變發(fā)生蠕變發(fā)生溫度蠕變疲勞和蠕變交互作用。不同材料發(fā)生蠕變溫度不同，當(dāng)材料溫度高于0.3 Tm時(shí)蠕變顯著發(fā)生。例如碳鋼溫度超過(guò)300350，合金鋼溫度超過(guò)350400時(shí)發(fā)生蠕變，引起材料疲勞極限急劇降低。實(shí)驗(yàn)表明：溫度材料蠕變極限、持久強(qiáng)度疲勞極限。溫度材料蠕變極限、持久強(qiáng)度和疲勞極限。但蠕變極限、持久強(qiáng)度速度疲勞極限。當(dāng)溫度較低時(shí)，材料以疲勞破壞為主；溫度較高時(shí)，以蠕變破壞為主。 輪機(jī)維護(hù)與

20、修理輪機(jī)維護(hù)與修理重慶交通大學(xué)航海學(xué)院28ChongQing JiaoTong University1.2 熱疲勞1）熱應(yīng)力2）熱疲勞輪機(jī)維護(hù)與修理輪機(jī)維護(hù)與修理重慶交通大學(xué)航海學(xué)院29ChongQing JiaoTong University1）熱應(yīng)力柴油機(jī)工作時(shí)機(jī)工作時(shí)：缸蓋外表或冷面溫度：6080，而觸火面的高溫區(qū)的溫度為400480。由觸火面?zhèn)鱽?lái)的熱量被冷卻水帶走，冷卻水溫度為70左右。觸火面受熱膨脹，但受外表面或冷面的制約，結(jié)果外表面或冷面受拉，而觸火面受壓觸火面受壓。由于缸蓋的材料鑄鐵在高于350時(shí)，抗蠕變能力下降，導(dǎo)致壓縮蠕變，使壓應(yīng)力下降，應(yīng)力得到松弛。停車后：觸火面溫度降低，

21、在溫度尚未達(dá)到環(huán)境溫度時(shí)，材料所受的壓縮應(yīng)力就已經(jīng)消失完畢。當(dāng)溫度繼續(xù)降低時(shí)，產(chǎn)生了拉應(yīng)力。低頻熱應(yīng)力低頻熱應(yīng)力裂紋產(chǎn)生部位：裂紋產(chǎn)生部位：缸蓋在“加熱冷卻”的多次循環(huán)后，交變的熱應(yīng)力就會(huì)導(dǎo)致觸火面疲勞裂紋產(chǎn)生。（低頻熱應(yīng)力）因此，缸蓋疲勞裂紋產(chǎn)生的主要原因是熱負(fù)荷過(guò)高。因此，缸蓋疲勞裂紋產(chǎn)生的主要原因是熱負(fù)荷過(guò)高。 輪機(jī)維護(hù)與修理輪機(jī)維護(hù)與修理重慶交通大學(xué)航海學(xué)院30ChongQing JiaoTong University1）熱應(yīng)力的幾個(gè)概念）熱應(yīng)力的幾個(gè)概念根據(jù)熱應(yīng)力與時(shí)間關(guān)系分定常熱應(yīng)力定常熱應(yīng)力和不定常熱應(yīng)力不定常熱應(yīng)力。定常熱應(yīng)力定常熱應(yīng)力：指不隨時(shí)間變化的熱應(yīng)力。柴油機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)

22、，零件溫度處于熱穩(wěn)定狀態(tài)。由冷態(tài)熱穩(wěn)定狀態(tài)，燃燒室零件上的熱應(yīng)力為。不定常熱應(yīng)力不定常熱應(yīng)力：指隨時(shí)間變化的熱應(yīng)力。根據(jù)熱應(yīng)力變化頻率分為：高頻熱應(yīng)力與低頻熱應(yīng)力。高頻熱應(yīng)力高頻熱應(yīng)力：柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，燃燒室零件觸火面溫度隨著工作循環(huán)變化而變化，熱應(yīng)力頻率高但受熱深度淺。高頻變化的燃?xì)飧邷匾鸬臒釕?yīng)力為。零件觸火面高頻熱應(yīng)力最大，隨深度減小。低頻熱應(yīng)力低頻熱應(yīng)力：柴油機(jī)起動(dòng)、停車或變工況運(yùn)行時(shí)，燃燒室零件溫度隨時(shí)間發(fā)生動(dòng)態(tài)變化產(chǎn)生不定常熱應(yīng)力。該熱應(yīng)力變化頻率與運(yùn)轉(zhuǎn)中起動(dòng)、停車或工況變化的頻率相同，頻率較低，屬于。熱應(yīng)力大小與負(fù)荷變化速度有關(guān)。負(fù)荷突變會(huì)引起過(guò)大低頻熱應(yīng)力，導(dǎo)致零件熱疲勞破壞。輪

23、機(jī)維護(hù)與修理輪機(jī)維護(hù)與修理重慶交通大學(xué)航海學(xué)院31ChongQing JiaoTong University2）熱疲勞熱疲勞是零件在循環(huán)熱應(yīng)力反復(fù)作用下產(chǎn)生的疲勞破壞。產(chǎn)生熱疲勞須滿足的兩個(gè)條件：產(chǎn)生熱疲勞須滿足的兩個(gè)條件：溫度循環(huán)變化溫度循環(huán)變化：溫差T循環(huán)變化熱應(yīng)力循環(huán)變化熱疲勞。零件熱變形受到約束零件熱變形受到約束零件材料受熱膨脹變形：T（為材料的線膨脹系數(shù)），如果該變形完全被約束就會(huì)引起熱應(yīng)力-ET。當(dāng)熱應(yīng)力超過(guò)材料高溫下的屈服極限時(shí)產(chǎn)生局部塑性變形，經(jīng)過(guò)一定循環(huán)次數(shù)或當(dāng)T較大時(shí)經(jīng)過(guò)較少的循環(huán)次數(shù)就會(huì)產(chǎn)生疲勞裂紋。結(jié)論結(jié)論：熱疲勞破壞實(shí)際上是由塑性應(yīng)變引起的，并且是塑性應(yīng)變損傷累積的結(jié)

24、果，是一種高溫高應(yīng)變疲勞。輪機(jī)維護(hù)與修理輪機(jī)維護(hù)與修理重慶交通大學(xué)航海學(xué)院32ChongQing JiaoTong University熱疲勞抗力的影響因素及提高措施1）影響因素：）影響因素： 導(dǎo)熱性：導(dǎo)熱性：導(dǎo)熱性溫差T熱應(yīng)力； 比熱：比熱：比熱溫度熱應(yīng)力；溫度疲勞極限； 彈性模量彈性模量E：E膨脹約束時(shí)應(yīng)力； 膨脹系數(shù)膨脹系數(shù)：膨脹，受約束時(shí)應(yīng)力。 導(dǎo)熱性差的脆性材料，如灰口鑄鐵容易發(fā)生熱疲勞破壞。2）提高材料熱疲勞抗力的途徑）提高材料熱疲勞抗力的途徑： 1）減少甚至消除零件上的應(yīng)力集中和應(yīng)變集中； 2）提高材料的高溫強(qiáng)度； 3）提高材料的塑性； 4）降低材料的熱膨脹系數(shù)。 輪機(jī)維護(hù)與修理

25、輪機(jī)維護(hù)與修理重慶交通大學(xué)航海學(xué)院33ChongQing JiaoTong University2.1 缸蓋底面（觸火面）裂紋缸蓋底面（觸火面）裂紋原因：原因：熱負(fù)荷熱負(fù)荷 ；安裝、使用不正確引起（如緊固過(guò)度、用力不均等；冷卻水中斷、暖機(jī)不夠、水溫過(guò)低） 。受力分析：受力分析：1）工作時(shí)，Pz底面上拱彎曲壓應(yīng)力（隨工作循環(huán)交變）。2）底面高溫達(dá)400500，若冷卻不良，t 0.5Tm (灰鑄鐵熔點(diǎn)) 高溫疲勞破壞。3）底面溫度t 0.3Tm時(shí)，底面蠕變，底面壓應(yīng)力。4）觸火面與冷卻面溫差達(dá)300400，底面和冷卻面壓、拉熱應(yīng)力，停車或負(fù)荷突降底面壓應(yīng)力 消失，甚至產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中，

26、高溫材料1，低頻熱應(yīng)力 1時(shí)底面疲勞裂紋產(chǎn)生。結(jié)論：結(jié)論：缸蓋底面裂紋，可能是熱疲勞裂紋、也可能是高溫疲勞裂紋或蠕變裂紋，或者是三者共同作用產(chǎn)生的裂紋。若裂紋呈龜裂狀裂紋呈龜裂狀，則可斷定為熱疲勞裂紋。輪機(jī)維護(hù)與修理輪機(jī)維護(hù)與修理重慶交通大學(xué)航海學(xué)院34ChongQing JiaoTong University2.2 冷面（冷卻水側(cè)）裂紋冷面（冷卻水側(cè)）裂紋原因：原因：由周期性脈動(dòng)由周期性脈動(dòng)pz引起應(yīng)力作用造成。引起應(yīng)力作用造成。分析：分析：1）Pz缸蓋底面上拱變形，水冷面拉應(yīng)力。2）若冷卻水通道筋根部過(guò)渡圓角過(guò)小或者存在鑄造缺陷時(shí)，應(yīng)力集中裂紋；在周期性（高頻）脈動(dòng)周期性（高頻）脈動(dòng)pz作

27、用下作用下，水冷面疲勞。水道環(huán)形筋根部機(jī)械疲勞裂紋，向觸火面擴(kuò)展。3）水冷面在水中微觀電化學(xué)腐蝕；局部區(qū)域可能沸騰，水中可溶性鹽類的酸根離子Cl、SO4等與金屬電化學(xué)腐蝕；水中溶解有氧，金屬氧化。水溫腐蝕。以上腐蝕條件下，材料疲勞強(qiáng)度下降，在氣缸中燃?xì)庋h(huán)交變Pz作用下產(chǎn)生腐蝕疲勞破壞。輪機(jī)維護(hù)與修理輪機(jī)維護(hù)與修理重慶交通大學(xué)航海學(xué)院35ChongQing JiaoTong University2.3 缸蓋外表面裂紋 四沖程機(jī)中常見(jiàn)，主要是安裝用力不均或緊固過(guò)度引起。小結(jié)小結(jié)： 1）缸蓋及燃燒室其它組件的疲勞裂紋，與輪機(jī)員管理工作疲勞裂紋，與輪機(jī)員管理工作密切相關(guān)密切相關(guān)。 2）避免產(chǎn)生過(guò)大的

28、熱應(yīng)力就能避免產(chǎn)生熱疲勞裂紋。要求：要求： 缸蓋等零件不能熱態(tài)時(shí)急冷和冷態(tài)下急熱或工作時(shí)過(guò)熱。 如柴油機(jī)起動(dòng)前應(yīng)充分暖機(jī)，起動(dòng)后緩慢增速增負(fù)荷；停車時(shí)應(yīng)讓冷卻水繼續(xù)循環(huán)，不使機(jī)件散熱不良或局部過(guò)熱； 避免長(zhǎng)期超負(fù)荷；防止氣缸蓋冷卻水腔結(jié)垢嚴(yán)重等。輪機(jī)維護(hù)與修理輪機(jī)維護(hù)與修理重慶交通大學(xué)航海學(xué)院36ChongQing JiaoTong University4-3 曲軸(Crankshaft)的疲勞破壞曲軸在回轉(zhuǎn)中受各缸交變氣體力、往復(fù)慣性力和離心力及由其所引起的彎矩、扭矩的作用。這些力不僅隨曲柄轉(zhuǎn)角變化，也隨負(fù)荷變化。曲軸的形狀復(fù)雜，截面變化多，剛度不足，受力復(fù)雜。曲軸的疲勞屬于高周低應(yīng)力疲勞破

29、壞。1.1 彎曲疲勞裂紋（Bending Fatigue Crack）1.2 扭轉(zhuǎn)疲勞裂紋（Torsion Fatigue Crack）1.3 彎曲扭轉(zhuǎn)疲勞裂紋（Compound Fatigue Crack）2 防止或減少疲勞裂紋的主要方法 1 曲軸疲勞裂紋的種類輪機(jī)維護(hù)與修理輪機(jī)維護(hù)與修理重慶交通大學(xué)航海學(xué)院37ChongQing JiaoTong University1.1 彎曲疲勞裂紋彎曲疲勞裂紋（Bending Fatigue Crack）1）發(fā)生時(shí)期及原因：）發(fā)生時(shí)期及原因：一般發(fā)生在曲軸長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)后，由于主軸承（main bearings）不均勻磨損曲軸軸線不正 附加彎曲應(yīng)力加大。2

30、）斷裂部位）斷裂部位：一般在曲柄銷（Crankpin）或主軸頸（Crankshaft journal）與曲柄臂連接的過(guò)渡圓角處，沿曲柄臂斷裂。結(jié)論：結(jié)論：須控制主軸承不均勻磨損，確保軸線平直。輪機(jī)維護(hù)與修理輪機(jī)維護(hù)與修理重慶交通大學(xué)航海學(xué)院38ChongQing JiaoTong University1.2 扭轉(zhuǎn)疲勞裂紋扭轉(zhuǎn)疲勞裂紋（Torsion Fatigue Crack）1）原因及發(fā)生時(shí)期：原因及發(fā)生時(shí)期： 扭矩產(chǎn)生應(yīng)力+扭轉(zhuǎn)振動(dòng)產(chǎn)生的附加扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。 一般發(fā)生在曲軸運(yùn)轉(zhuǎn)初期運(yùn)轉(zhuǎn)初期或曲軸位于臨界轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)臨界轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。2）斷裂部位： 一般發(fā)生在油孔油孔或扭轉(zhuǎn)振動(dòng)節(jié)點(diǎn)附近扭轉(zhuǎn)振動(dòng)節(jié)點(diǎn)附近

31、的曲柄處，并在軸頸軸頸上沿與軸線成45角的兩個(gè)方向擴(kuò)展，斷口與軸線相交45，斷面裂紋線近似螺旋線。 輪機(jī)維護(hù)與修理輪機(jī)維護(hù)與修理重慶交通大學(xué)航海學(xué)院39ChongQing JiaoTong University1.3 彎曲彎曲扭轉(zhuǎn)疲勞裂紋扭轉(zhuǎn)疲勞裂紋（Compound Fatigue Crack）生產(chǎn)實(shí)踐表明： 曲軸的彎曲疲勞多于扭轉(zhuǎn)疲勞彎曲疲勞多于扭轉(zhuǎn)疲勞。原因： 彎曲應(yīng)力的應(yīng)力集中系數(shù)比扭轉(zhuǎn)應(yīng)力集中系數(shù)大，且彎曲應(yīng)力難以精確計(jì)算 （導(dǎo)致應(yīng)力的因素：各主軸承的磨損難以掌握和控制，因此造成的附加彎曲應(yīng)力難計(jì)算）。輪機(jī)維護(hù)與修理輪機(jī)維護(hù)與修理重慶交通大學(xué)航海學(xué)院40ChongQing JiaoT

32、ong University2 防止或減少曲軸疲勞裂紋的主要方法防止或減少曲軸疲勞裂紋的主要方法總體上說(shuō)： 消除或降低零件上的應(yīng)力集中應(yīng)力集中和附加應(yīng)力附加應(yīng)力，即消除或減少疲勞裂紋源和降低交變應(yīng)力。具體措施：1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2）制造方面3）輪機(jī)管理方面輪機(jī)維護(hù)與修理輪機(jī)維護(hù)與修理重慶交通大學(xué)航海學(xué)院41ChongQing JiaoTong University結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面減少曲軸疲勞裂紋措施結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面減少曲軸疲勞裂紋措施（1）改進(jìn)不合理的設(shè)計(jì)；（2）斷面突變處的圓角過(guò)渡，降低應(yīng)力集中。 曲軸的過(guò)渡圓角半徑不小于曲柄銷徑的5。輪機(jī)維護(hù)與修理輪機(jī)維護(hù)與修理重慶交通大學(xué)航海學(xué)院42ChongQing

33、 JiaoTong University制造方面減少曲軸疲勞裂紋措施制造方面減少曲軸疲勞裂紋措施1）消除加工制造過(guò)程中的各種應(yīng)力。）消除加工制造過(guò)程中的各種應(yīng)力。 消除應(yīng)力主要采用退火工藝。2）改善表面質(zhì)量和性能。）改善表面質(zhì)量和性能。表面是裂紋策源地，主要方法是： 降低粗糙度，對(duì)表面進(jìn)行強(qiáng)化處理（滲C、N等）。 對(duì)曲軸的過(guò)渡圓角進(jìn)行滾壓可使疲勞強(qiáng)度提高2070，球墨鑄鐵曲軸可提高5090。輪機(jī)維護(hù)與修理輪機(jī)維護(hù)與修理重慶交通大學(xué)航海學(xué)院43ChongQing JiaoTong University輪機(jī)管理方面減少曲軸疲勞裂紋措施輪機(jī)管理方面減少曲軸疲勞裂紋措施 加強(qiáng)主、副柴油機(jī)管理，尤其加強(qiáng)

34、曲軸維護(hù)保養(yǎng)，對(duì)減少曲軸疲勞破壞，延長(zhǎng)使用壽命和柴油機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)很重要。1）定期檢測(cè)曲軸臂距差檢測(cè)曲軸臂距差監(jiān)控曲軸軸線狀態(tài)和主軸承下瓦的磨損情況，防止曲軸彎曲疲勞破壞；及時(shí)了解曲軸軸線狀態(tài)并及時(shí)調(diào)整。減少附加彎曲應(yīng)力。2）加強(qiáng)主軸承潤(rùn)滑加強(qiáng)主軸承潤(rùn)滑定期檢測(cè)主軸頸與主軸承配合間隙，防止軸承下瓦過(guò)度磨損，減少?zèng)_擊防止軸承下瓦過(guò)度磨損，減少?zèng)_擊。3）柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，避免在轉(zhuǎn)速禁區(qū)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)避免在轉(zhuǎn)速禁區(qū)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。4）加強(qiáng)扭振減振器的維護(hù)管理扭振減振器的維護(hù)管理，保證其處于良好的工作狀態(tài)。 輪機(jī)維護(hù)與修理輪機(jī)維護(hù)與修理重慶交通大學(xué)航海學(xué)院44ChongQing JiaoTong University參考習(xí)題1.零件的疲勞破壞包括：疲勞裂紋；疲勞斷裂；變形；韌性斷裂；脆性斷裂 A. + B. C. D. 2. 低應(yīng)力高壽命疲勞稱為： A. 低周疲勞 B. 高周疲勞 C. 機(jī)械疲勞 D. 熱疲勞 3. 柴油機(jī)燃燒時(shí)的爆發(fā)壓力屬于： A. 機(jī)械負(fù)荷 B. 熱負(fù)荷 C. 機(jī)械應(yīng)力 D. 熱應(yīng)力 4. 曲軸扭轉(zhuǎn)疲勞裂紋多自過(guò)渡圓角向軸頸擴(kuò)展，而很少向曲柄臂擴(kuò)展，是因?yàn)椋篈. 軸頸的應(yīng)力集中大于曲柄臂 B. 軸頸的抗扭轉(zhuǎn)截面模數(shù)較曲柄臂的小C.